JP6373510B2 - 映像音響システム - Google Patents

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Description

本発明は、映像を表示する表示装置と音を再生する電気音響変換ユニットとを含む映像音響システムに関する。
映画館における映像および音響の再生を行う映像音響システムや、地上波放送等のテレビジョン放送を受像して映像および音響を再生したり、DVD(Digital Versatile Disc)等の記録媒体に記録された映像および音響を再生する、液晶ディスプレイや有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイなどのディスプレイ装置において、臨場感のある音響を再生するために、スピーカを複数用いて、2チャンネルや5.1チャンネル等の多チャンネルにして音源の位置を仮想的に再現することが行われている。
例えば、特許文献1には、一般的な映画館におけるスピーカのレイアウトが記載されており、観客席すなわち視聴者を囲むように、左右のフロントスピーカ、センタースピーカおよびリアスピーカ等の複数のスピーカが多チャンネルに配置されることが記載されている。
また、特許文献2には、ビデオ画面の周囲に2つの音声トランスデューサが垂直配列されたビデオ表示装置が記載されており、ビデオ平面上における音声信号の知覚起源(音源)の位置を決定し、音源の水平位置に対応しているスピーカを2以上選択して、選択したスピーカで音を再生することで、選択したスピーカの位置の間の、ビデオ平面上に疑似音像を生成することが記載されている。
また、特許文献3には、映像表示部に複数の映像を同時に画面表示し、複数の映像を画面表示しているそれぞれの位置に映像の仮想音源の位置を設定し、仮想音源から音声が生じている状態を聴覚上あるいは視聴覚上再現するような音声信号を複数のスピーカを用いて再生することが記載されている。
一方、特許文献4には、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配置される薄膜電極とを有する電気音響変換フィルムを、フレキシブルディスプレイやスクリーンの裏面側に取り付けてスピーカとして用いることで、画像が表示される方向から音を再生することができ、臨場感を向上できることが記載されている。
特表2014−522155号公報 特開2014−180044号公報 特開2013−51686号公報 特開2015−109627号公報
しかしながら、複数のスピーカを用いて仮想音源を設定し、仮想音源から音が生じている状態を再現する音響システムでは、視聴位置によっては仮想音源の再現が適正にされず、映像と音源位置が一致しないため音の定位ができず、十分な臨場感を得られないという問題があった。
また、表示装置の裏面側にスピーカを配置するのみでは、音に十分な立体感を持たせることができず、臨場感が不十分であった。
発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決することにあり、映像に応じた位置から音を発生することができ、臨場感を向上できる映像音響システムを提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、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、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備え、電気音響変換フィルムを湾曲して支持し、電気音響変換フィルムの少なくとも一部を振動領域とする電気音響変換ユニット、および、映像が投影されるスクリーン、または、映像表示装置である表示装置を含み、少なくとも1つの電気音響変換ユニットが、表示装置の映像が表示される面とは反対側の背面に配置され、かつ、複数の振動領域が表示装置の背面の全面に配列されており、電気音響変換ユニットに入力される音データに振動領域の位置情報が含まれていることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、以下の構成の映像音響システムを提供する。
(1) 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、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備え、電気音響変換フィルムを湾曲して支持し、電気音響変換フィルムの少なくとも一部を振動領域とする電気音響変換ユニット、および、
映像が投影されるスクリーン、または、映像表示装置である表示装置を含み、
少なくとも1つの電気音響変換ユニットが、表示装置の映像が表示される面とは反対側の背面に配置され、かつ、複数の振動領域が表示装置の背面の全面に配列されており、
電気音響変換ユニットに入力される音データに振動領域の位置情報が含まれている映像音響システム。
(2) 表示装置に表示される映像に基づいて、表示装置の背面に配列された複数の振動領域から少なくとも1つの振動領域を選択して音を発生させる(1)に記載の映像音響システム。
(3) 表示装置において映像が表示される領域の面積に対する、複数の振動領域の総面積の割合が80%以上である(1)または(2)に記載の映像音響システム。
(4) 振動領域が四角形状である(1)〜(3)のいずれかに記載の映像音響システム。
(5) 振動領域を4個以上有する(1)〜(4)のいずれかに記載の映像音響システム。
(6) 1つの振動領域を有する電気音響変換ユニットを複数有し、
複数の電気音響変換ユニットが、表示装置の背面に配列されている(1)〜(5)のいずれかに記載の映像音響システム。
(7) 電気音響変換フィルムは、高分子複合圧電体を挟持する薄膜電極の組を複数有し、複数の振動領域を形成されてなるものである(1)〜(5)のいずれかに記載の映像音響システム。
(8) 映画館、ホームシアター、デジタルサイネージ、プロジェクションマッピング、および、フレキシブル有機ELディスプレイのいずれかに用いられる(1)〜(7)のいずれかに記載の映像音響システム。
このような本発明によれば、映像に応じた位置から音を発生することができ、臨場感を向上できる映像音響システムを提供することができる。
本発明の映像音響システムの一例を概念的に示す正面図である。 図1Aの側面図である。 電気音響変換ユニットの一例を模式的に示す上面図である。 図2AのB−B線断面図である。 電気音響変換フィルムの一例を模式的に示す断面図である。 電気音響変換フィルムの作製方法の一例を説明するための概念図である。 電気音響変換フィルムの作製方法の一例を説明するための概念図である。 電気音響変換フィルムの作製方法の一例を説明するための概念図である。 電気音響変換フィルムの作製方法の一例を説明するための概念図である。 電気音響変換フィルムの作製方法の一例を説明するための概念図である。 本発明の映像音響システムの他の一例を概念的に示す正面図である。 図5Aの側面図である。 図5Aの映像音響システムに用いられる電気音響変換フィルムの一例を模式的に示す上面図である。 図6AのB−B線断面図である。
以下、本発明の映像音響システムについて、添付の図面に示される好適実施形態を基に、詳細に説明する。
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。
本発明の映像音響システムは、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、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備え、電気音響変換フィルムを湾曲して支持し、電気音響変換フィルムの少なくとも一部を振動領域とする電気音響変換ユニット、および、映像が投影されるスクリーン、または、映像表示装置である表示装置を含み、少なくとも1つの電気音響変換ユニットが、表示装置の映像が表示される面とは反対側の背面に配置され、かつ、複数の振動領域が表示装置の背面の全面に配列されており、電気音響変換ユニットに入力される音データに振動領域の位置情報が含まれている映像表示システムである。
図1Aに、本発明の映像音響システムの一例を模式的に表す正面図を示し、図1Bに図1Aの側面図を示す。
図1Aおよび図1Bに示す映像音響システム100は、映像を表示する表示装置102と、表示装置102の裏面側に全面的に配列された、音を再生するスピーカである複数の電気音響変換ユニット(以下、「変換ユニット」ともいう)40とを有する。
図示例の映像音響システム100においては、40個の変換ユニット40が、表示装置102の裏面側の全面に、5行×8列のマトリックス状に配列されている。
本発明における変換ユニット40は、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の両面に薄膜電極を積層した電気音響変換フィルムを振動板として用いるものである。変換ユニット40は、電気音響変換フィルムを湾曲させて支持しており、電気音響変換フィルムへの電圧印加によって、電気音響変換フィルムが面内方向に伸長または収縮することで、電気音響変換フィルムが、上方(音の放射方向)に移動し、あるいは、下方に移動し、この伸縮の繰り返しによる振動により、振動(音)と電気信号とを変換するものである。
表示装置102の、映像が表示される面とは反対側の背面の全面に配列されている複数の変換ユニット40には、表示装置に表示される映像に基づいて、各変換ユニット40に音データが入力されて音を発生させる。
この点については後に詳述する。
まず、表示装置102について説明する。
表示装置102は、プロジェクターや映写機等からの映像が投影されるスクリーン、または、液晶ディスプレイや映像表示装置である。
スクリーンとしては限定はなく、樹脂等により形成された、白色や銀色等のシート状物等の、プロジェクター用のスクリーンとして用いられる種々の公知のスクリーンが利用可能である。
また、映像表示装置としても限定はなく、公知の有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイや液晶ディスプレイ等が利用可能である。
ここで、表示装置102は、裏面側から映像を表示する面側へ音を透過するものであるのが好ましい。
次に、変換ユニット40について説明する。
図2Aに変換ユニット40の一例を模式的に表す上面図を示す、図2Bに、図2AのB−B線断面図を示す。
前述のとおり、変換ユニット40は、電気音響変換フィルム(以下、「変換フィルム」ともいう)を振動板として用いるものである。
図に示すように、変換ユニット40は、平板型のスピーカであり、図2B中の上下方向が、変換フィルム10の振動方向、すなわち、音の放射方向である。図3(A)は、変換フィルム10の振動方向から見た図である。
この変換ユニット40は、変換フィルム10と、ケース42と、粘弾性支持体46と、押圧部材48とを有して構成される。
変換フィルム10は、圧電性を有し、電界の状態に応じて主面が伸縮する圧電フィルムであって、湾曲した状態で保持されることで、フィルム面に沿った伸縮運動をフィルム面に垂直な方向の振動に変換して、電気信号を音に変換するものである。
ここで、変換ユニット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。
変換フィルム10については後に詳述する。
ケース42は、押圧部材48と共に、変換フィルム10および粘弾性支持体46を保持する保持部材である。ケース42は、プラスチックや金属、或いは木材等で形成される、一面が開放する箱型の筐体である。図示例においては、ケース42は薄型の六面体形状で、最大面の一方が開放面である。また、開放部は正四角形状である。ケース42は内部に粘弾性支持体46を収容する。
なお、変換ユニットにおいて、ケース42の形状(すなわち変換ユニットの形状)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。
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を湾曲した状態で保持すると共に、変換フィルム10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10の伸縮運動を無駄なく前後運動(変換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。
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の材料としては、適度な粘性と弾性を有し、かつ、圧電フィルムの振動を妨げず、好適に変形するものであれば、特に限定はない。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)、ポリエステルウール、紙を複数枚重ねたもの、磁性流体、塗料等が例示される。
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。
押圧部材48は、変換フィルム10を粘弾性支持体46に押圧した状態で支持するためのものであり、プラスチックや金属、或いは木材等で形成される、中央に開口部を有する正四角形状の板状部材である。押圧部材48は、ケース42の開放面と同様の形状を有し、また、開口部の形状は、ケース42の開放部と同様の正四角形状である。
変換ユニット40においては、ケース42の中に粘弾性支持体46を収容して、変換フィルム10によってケース42および粘弾性支持体46を覆い、変換フィルム10の周辺を押圧部材48によってケース42の開放面に接した状態で、押圧部材48をケース42に固定して、構成される。
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。
この変換ユニット40においては、粘弾性支持体46は、高さ(厚さ)がケース42の内面の高さよりも厚い。すなわち、変換フィルム10および押圧部材48が固定される前の状態では、粘弾性支持体46は、ケース42の上面よりも突出した状態となっている。
そのため、変換ユニット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10の少なくとも一部に湾曲部が形成される。変換ユニット40において、この湾曲部が振動領域となる。なお、以下の説明では、湾曲部を振動領域ともいう。
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。
また、変換ユニット40において、粘弾性支持体46は押圧部材48に近づくほど厚さ方向に圧縮された状態になるが、静的粘弾性効果(応力緩和)によって、変換フィルム10のどの場所でも機械的バイアスを一定に保つことができる。これにより、変換フィルム10の伸縮運動が無駄なく前後運動へと変換されるため、薄型、かつ、十分な音量が得られ、音響特性に優れる平面状の変換ユニット40を得ることができる。
このような構成の変換ユニット40において、変換フィルム10の、押圧部材48の開口部に対応する領域が実際に振動する領域となる。すなわち、押圧部材48は、振動領域を規定する部位である。したがって、図2に示す変換ユニット40は、1つの振動領域を有する。
圧電性を有する変換フィルムを用いる変換ユニットは、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。
また、変換ユニット40の変換フィルム10側の面と、湾曲部とは相似であるのが好ましい。すなわち、押圧部材48の外形と開口部の形状は相似であるのが好ましい。
なお、変換ユニット40において、変換フィルム10による粘弾性支持体46の押圧力には、特に限定はないが面圧が低い位置における面圧で0.005〜1.0MPa、特に0.02〜0.2MPa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。
また、図示例においては、粘弾性を有する粘弾性支持体46を利用する構成としたが、これに限定はされず、少なくとも弾性を有する弾性支持体を利用する構成であればよい。
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。
ここで、図3(A)に示す変換ユニット40は、押圧部材48によって、変換フィルム10の周辺全域をケース42に押し付けているが、本発明は、これに限定されない。
すなわち、変換フィルム10を利用する変換ユニットは、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、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。
また、変換フィルム10を利用する変換ユニットは、粘弾性支持体46を収容するケース42を有さなくても良い。
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10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、変換ユニットの振動を更に増幅する効果も期待できる。
さらに、変換ユニットは、周辺を押圧する構成にも限定はされず、例えば、粘弾性支持体46と変換フィルム10の積層体の中央を、何らかの手段によって押圧してなる構成も利用可能である。
すなわち、変換ユニットは、変換フィルム10の湾曲した状態で保持される構成であれば、各種の構成が利用可能である。
あるいは、変換フィルム10を樹脂フィルムに貼り付けて張力を付与する(湾曲させる)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。
また、図2Aおよび図2Bに示す例では、押圧部材48を用いて、変換フィルム10を粘弾性支持体46に押圧して支持する構成としたが、これに限定はされず、例えば、ケース42の開口面よりも大きい変換フィルム10を用いて、変換フィルム10の端部をケース42の裏面側で固定する構成としてもよい。すなわち、ケース42とケース42内に配置された粘弾性支持体46とを、ケース42の開口面よりも大きい変換フィルム10で覆い、変換フィルム10の端部をケース42の裏面側に引張ることで、変換フィルム10を粘弾性支持体46に押圧して張力を付与して湾曲させ、変換フィルムの端部をケース42の裏面側で固定してもよい。
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。
また、図2Aおよび図2Bに示す変換ユニット40においては、変換フィルム10は、粘弾性支持体46により押圧されて、主面が凸状に湾曲した状態で保持される構成としたが、このように、変換フィルム10を湾曲した状態で保持する構成には特に限定はない。
例えば、変換フィルム10自体に凸部を形成して湾曲させてもよい。凸部の形成方法としては特に限定はなく、種々の公知の樹脂フィルムの加工方法が利用可能である。例えば、真空加圧成型法、エンボス加工等の形成方法により、凸部を形成することができる。
次に、変換ユニットに用いられる変換フィルムについて説明する。
図3は、変換フィルム10の一例を概念的に示す断面図である。
図3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。
変換フィルム10において、圧電体層12は、高分子複合圧電体からなるものである。
図3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。
ここで、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。
(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f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。
以上をまとめると、フレキシブル性を有するスピーカに用いる高分子複合圧電体は、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求められる。また、高分子複合圧電体の損失正接は、20kHz以下の全ての周波数の振動に対して、適度に大きいことが求められる。
一般に、高分子固体は粘弾性緩和機構を有しており、温度上昇あるいは周波数の低下とともに大きなスケールの分子運動が貯蔵弾性率(ヤング率)の低下(緩和)あるいは損失弾性率の極大(吸収)として観測される。その中でも、非晶質領域の分子鎖のミクロブラウン運動によって引き起こされる緩和は、主分散と呼ばれ、非常に大きな緩和現象が見られる。この主分散が起きる温度がガラス転移点(Tg)であり、最も粘弾性緩和機構が顕著に現れる。
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。
常温で粘弾性を有する高分子材料としては、公知の各種のものが利用可能である。好ましくは、常温、すなわち0〜50℃において、動的粘弾性試験による周波数1Hzにおける損失正接Tanδの極大値が、0.5以上有る高分子材料を用いる。
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、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。
また、高分子材料は、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100MPa以上、50℃において10MPa以下、であることが好ましい。
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。
また、高分子材料は、比誘電率が25℃において10以上有ると、より好適である。これにより、高分子複合圧電体に電圧を印加した際に、高分子マトリックス中の圧電体粒子にはより高い電界が掛かるため、大きな変形量が期待できる。
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。
このような条件を満たす高分子材料としては、シアノエチル化ポリビニルアルコール(シアノエチル化PVA)、ポリ酢酸ビニル、ポリビニリデンクロライドコアクリロニトリル、ポリスチレン−ビニルポリイソプレンブロック共重合体、ポリビニルメチルケトン、および、ポリブチルメタクリレート等が例示される。また、これらの高分子材料としては、ハイブラー5127(クラレ社製)などの市販品も、好適に利用可能である。なかでも、シアノエチル基を有する材料を用いることが好ましく、シアノエチル化PVAを用いるのが特に好ましい。
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。
このような常温で粘弾性を有する高分子材料を用いる粘弾性マトリックス24は、必要に応じて、複数の高分子材料を併用してもよい。
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。
添加可能な誘電性高分子材料としては、一例として、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体及びポリフッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体等のフッ素系高分子、シアン化ビニリデン−酢酸ビニル共重合体、シアノエチルセルロース、シアノエチルヒドロキシサッカロース、シアノエチルヒドロキシセルロース、シアノエチルヒドロキシプルラン、シアノエチルメタクリレート、シアノエチルアクリレート、シアノエチルヒドロキシエチルセルロース、シアノエチルアミロース、シアノエチルヒドロキシプロピルセルロース、シアノエチルジヒドロキシプロピルセルロース、シアノエチルヒドロキシプロピルアミロース、シアノエチルポリアクリルアミド、シアノエチルポリアクリレート、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリヒドロキシメチレン、シアノエチルグリシドールプルラン、シアノエチルサッカロース及びシアノエチルソルビトール等のシアノ基あるいはシアノエチル基を有するポリマー、ニトリルゴムやクロロプレンゴム等の合成ゴム等が例示される。
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。
また、誘電性ポリマー以外にも、ガラス転移点Tgを調整する目的で、塩化ビニル樹脂、ポリエチレン、ポリスチレン、メタクリル樹脂、ポリブテン、イソブチレン、等の熱可塑性樹脂や、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、アルキド樹脂、マイカ、等の熱硬化性樹脂を添加しても良い。
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。
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等の粘弾性材料以外のポリマーを添加する際の添加量には、特に限定は無いが、粘弾性マトリックス24に占める割合で30重量%以下とするのが好ましい。
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。
また、圧電体層12の誘電率を高める目的で、粘弾性マトリックス24に誘電体粒子を添加してもよい。
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。
誘電体粒子は、平均粒径が0.5μm以下であるのが好ましい。
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は、ペロブスカイト型或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である。
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。
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。
このような圧電体粒子26の粒径は、変換フィルム10のサイズや用途に応じて、適宜、選択すれば良いが、本発明者の検討によれば、1〜10μmが好ましい。
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。
なお、図3においては、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、均一にかつ規則性を持って分散されているが、本発明は、これに限定はされない。
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。
変換フィルム10において、圧電体層12中における粘弾性マトリックス24と圧電体粒子26との量比は、変換フィルム10の面方向の大きさや厚さ、変換フィルム10の用途、変換フィルム10に要求される特性等に応じて、適宜、設定すればよい。
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。
また、変換フィルム10において、圧電体層12の厚さにも、特に限定はなく、変換フィルム10のサイズ、変換フィルム10の用途、変換フィルム10に要求される特性等に応じて、適宜、設定すればよい。
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、10〜40μmがさらに好ましく、特に、15〜25μm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。
図3に示すように、変換フィルム10は、このような圧電体層12の一面に、下部薄膜電極14を形成し、その上に下部保護層18を形成し、圧電体層12の他方の面に、上部薄膜電極16を形成し、その上に上部保護層20を形成してなる構成を有する。ここで、上部薄膜電極16と下部薄膜電極14とが電極対を形成する。
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。
電極引出し部としては、薄膜電極および保護層が、圧電体層の面方向外部に、凸状に突出する部位を設けても良いし、あるいは、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、電極引出し部としてもよい。
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。
変換フィルム10は、圧電体層12の両面を電極対、すなわち、上部薄膜電極16および下部薄膜電極14で挟持し、この積層体を、上部保護層20および下部保護層18で挟持してなる構成を有する。
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。
変換フィルム10において、上部保護層20および下部保護層18は、上部薄膜電極16および下部薄膜電極14を被覆すると共に、圧電体層12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、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、それを補うために上部保護層20および下部保護層18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。
上部保護層20および下部保護層18には、特に限定はなく、各種のシート状物が利用可能であり、一例として、各種の樹脂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などの理由により、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)、ポリアミド(PA、アラミド)、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。
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。
上部保護層20および下部保護層18の厚さにも、特に、限定は無い。また、上部保護層20および下部保護層18の厚さは、基本的に同じであるが、異なってもよい。
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。
本発明者の検討によれば、上部保護層20および下部保護層18の厚さが、圧電体層12の厚さの2倍以下であれば、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。
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。
変換フィルム10において、圧電体層12と上部保護層20との間には上部薄膜電極(以下、上部電極とも言う)16が、圧電体層12と下部保護層18との間には下部薄膜電極(以下、下部電極とも言う)14が、それぞれ形成される。
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。
本発明において、上部電極16および下部電極14の形成材料には、特に、限定はなく、各種の導電体が利用可能である。具体的には、炭素、パラジウム、鉄、錫、アルミニウム、ニッケル、白金、金、銀、銅、クロムおよびモリブデン等や、これらの合金、酸化インジウムスズ等が例示される。中でも、銅、アルミニウム、金、銀、白金、および、酸化インジウムスズのいずれかが、好適に例示される。
また、上部電極16および下部電極14の形成方法にも、特に限定はなく、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、公知の方法が、各種、利用可能である。
中でも特に、変換フィルム10の可撓性が確保できる等の理由で、真空蒸着によって成膜された銅やアルミニウムの薄膜は、上部電極16および下部電極14として、好適に利用される。その中でも特に、真空蒸着による銅の薄膜は、好適に利用される。
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。
ここで、前述の上部保護層20および下部保護層18と同様に、上部電極16および下部電極14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、上部電極16および下部電極14は、電気抵抗が高くなり過ぎない範囲であれば、薄いほど有利である。
ここで、本発明者の検討によれば、上部電極16および下部電極14の厚さとヤング率との積が、上部保護層20および下部保護層18の厚さとヤング率との積を下回れば、可撓性を大きく損なうことがないため、好適である。
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。
また、薄膜電極は、必ずしも、圧電体層12(下部保護層18および/または上部保護層20)の全面に対応して形成される必要はない。
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。
あるいは、薄膜電極が全面に形成された保護層が、圧電体層12の全面に対応して形成される必要はない。この場合、圧電体層12と直接に接触する第2の保護層を別途、保護層の表面側に設けるような構成としてもよい。
また、薄膜電極と圧電体層12との間に密着力向上、可撓性向上などの目的でさらに塗布層を設ける構成としてもよい。この場合、塗布層は薄膜電極の上でも圧電体層12の上のどちらに塗布しても構わない。
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。
また、図示例では、変換フィルム10の層構成は、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とを有する構成としたがこれに限定はされず、これらの層に加えて、例えば、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や、薄膜電極を被覆する着色層等を有していてもよい。
例えば、着色層を有する場合の層構成は、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着色層と、下部着色層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着色層と、上部着色層上に積層される上部保護層20とを有する構成とすればよい。
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。
薄膜電極の錆びが外部から視認できないようにする観点から、着色層の透過濃度は、0.3以上であるのが好ましく、0.5以上であるのがより好ましい。
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、着色層の厚さは、1μm以下が好ましく、100nm以下がより好ましく、中でも40nm以下とするのが特に好ましい。
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。
着色層の形成材料は、上記の透過濃度を満たし、また、錆び等により変色しないものであれば特に限定はない。
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。
また、着色層の形成方法には、特に限定はなく、上記材料に応じて、各種の公知の方法で形成すればよい。
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。
また、上部電極16側および下部電極14側のそれぞれに、着色層を有する構成には限定されず、少なくとも一方の側に、着色層を有する構成であってもよい。
前述のように、変換フィルム10は、常温で粘弾性を示す高分子材料を含有する粘弾性マトリックス24に圧電体粒子26を分散してなる圧電体層12を、上部電極16および下部電極14で挟持し、さらに、上部保護層20および下部保護層18を挟持してなる構成を有する。
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。
変換フィルム10は、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。
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。
また、変換フィルム10は、厚さと動的粘弾性測定による周波数1Hzでの貯蔵弾性率(E’)との積が、0℃において1.0×106〜2.0×106(1.0E+06〜2.0E+06)N/m、50℃において1.0×105〜1.0×106(1.0E+05〜1.0E+06)N/mであるのが好ましい。
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。
さらに、変換フィルム10は、動的粘弾性測定から得られたマスターカーブにおいて、25℃、周波数1kHzにおける損失正接(Tanδ)が、0.05以上であるのが好ましい。
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fが変化した際の音質の変化量も小さくできる。
次に、図4A〜図4Eを参照して、変換フィルム10の製造方法の一例を説明する。
まず、図4A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11aを準備する。このシート状物11a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、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。
一方で、有機溶媒に、シアノエチル化PVA等のシアノエチル基を有する高分子材料(以下、粘弾性材料とも言う)を溶解し、さらに、PZT粒子等の圧電体粒子26を添加し、攪拌して分散してなる塗料を調製する。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。
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4B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。
この塗料のキャスティング方法には、特に、限定はなく、スライドコータやドクターナイフ等の公知の方法(塗布装置)が、全て、利用可能である。
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4A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4B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。
なお、前述のように、変換フィルム10において、粘弾性マトリックス24には、シアノエチル化PVA等の粘弾性材料以外にも、PVDF等の高分子圧電材料を添加しても良い。
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。
圧電体層12の分極処理の方法には、特に限定はなく、公知の方法が利用可能である。好ましい分極処理の方法として、図4Cおよび図4Dに示す方法が例示される。
この方法では、図4Cおよび図4Dに示すように、積層体11bの圧電体層12の上面12aの上に、間隔gを例えば1mm開けて、この上面12aに沿って移動可能な棒状あるいはワイヤー状のコロナ電極30を設ける。そして、このコロナ電極30と下部電極14とを直流電源32に接続する。
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。
その上で、圧電体層12を、加熱手段によって、例えば、温度100℃に加熱保持した状態で、直流電源32から下部電極14とコロナ電極30との間に、数kV、例えば、6kVの直流電圧を印加してコロナ放電を生じさせる。さらに、間隔gを維持した状態で、圧電体層12の上面12aに沿って、コロナ電極30を移動(走査)して、圧電体層12の分極処理を行う。
このようなコロナ放電を利用する分極処理(以下、便宜的に、コロナポーリング処理とも言う)において、コロナ電極30の移動は、公知の棒状物の移動手段を用いればよい。
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。
このようにして積層体11bの圧電体層12の分極処理を行う一方で、上部保護層20の上に上部電極16が形成されたシート状物11cを、準備する。このシート状物11cは、上部保護層20の表面に、真空蒸着、スパッタリング、めっき等によって上部電極16として銅薄膜等を形成して、作製すればよい。
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。
このような変換フィルム10の製造は、カットシート状の上記シート状物を用いて製造を行ってもよく、ロール・トゥ・ロール(Roll to Roll 以下、RtoRともいう)で行ってもよい。
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。
前述のとおり、図1Aおよび図1Bに示す映像音響システム100は、上述した表示装置102の裏面側に、変換ユニット40が複数、配列されている。
具体的には、図1Aおよび図1Bに示す映像音響システム100においては、40個の変換ユニット40が、表示装置102の裏面の面方向に、裏面の全面に略均等に、5行×8列のマトリックス状に配列されている。
また、各変換ユニット40は、音を発生する変換フィルム10側(振動領域側)を表示装置102の裏面に対面して配置されている。
なお、複数の変換ユニット40は、面方向において、表示装置102の映像が表示される領域に配列されていればよい。
このように配列された複数の変換ユニット40に入力される音データには、変換ユニット40の位置情報が含まれており、表示装置に表示される映像に基づいて、音データが入力されて、映像に応じて音を発生する。
具体的には、表示装置102の映像表示面の面方向において、表示装置102に表示された映像上で、音の発生源となる物が表示されている位置に配置された変換ユニット40に、この音の発生源となる物から発生する音のデータが入力され、この変換ユニット40が音の発生源となる物から発生する音を発生する。
例えば、人物が発声している映像の場合には、発声している人物の顔(あるいは口元等)の位置に配置された変換ユニット40に、この人物が発声している音のデータが入力され、この変換ユニット40がこの人物が発声している音声を再生する。
また、音の発生源となる物が、表示装置102に表示される映像上で移動している場合には、音の発生源となる物の移動に合わせて、音を発生する変換ユニット40が順次、変更されるように、各変換ユニット40に音データが入力される。
前述のとおり、複数のスピーカを用いて仮想音源を設定し、仮想音源から音が生じている状態を再現する音響システムでは、視聴位置によっては仮想音源の再現が適正にされず、映像と音源位置が一致しないため音の定位ができず、十分な臨場感を得られないという問題があった。
また、表示装置の裏面側にスピーカを配置するのみでは、音に十分な立体感を持たせることができず、臨場感が不十分であった。
これに対して、本発明の映像音響システムは、このように、複数の変換ユニット40に入力される音データには、変換ユニット40の位置情報が含まれており、表示装置102に表示される映像で音の発生源となる物が表示されている位置に配置された変換ユニット40に、この音の発生源となる物から発生する音のデータが入力され、この変換ユニット40が音の発生源となる物から発生する音を発生するので、映像と音源位置が一致して、十分な臨場感を得られる。
ここで、このように表示装置102に表示される映像上での音の発生源となる物の位置に配置された変換ユニット40を用いて、音の発生源となる物から発生する音を再生する場合には、表示装置102の映像が表示される領域の全域に変換ユニット40を配置する必要があるため、映像が表示される領域の全域を覆うように高い密度で、複数の変換ユニット40を配列する必要がある。
しかしながら、従来のコーンスピーカや一般的な圧電フィルムを用いた圧電スピーカ等を用いて、映像が表示される領域の全域を覆うように高い密度で、複数のスピーカを配列した場合には、スピーカ同士の距離が近くなるため、隣接するスピーカ同士が影響しあい、クロストークが発生するという問題がある。
また、従来のコーンスピーカは、面方向における振動板の形状が円形状であるため、実質的に音を発生する領域である振動領域を高い密度で配列することができず、音の発生源となる物が表示されている位置から音を発生できない場合があるため、音と映像の位置ズレが生じる場合がある。
これに対して、本発明においては、上述のとおり、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、高分子複合圧電体を挟持する薄膜電極とを有する変換フィルム10を振動板として用いる変換フィルム40を用いるので、複数の変換フィルム40を、表示装置102の映像が表示される領域の全域に高い密度で配置して、変換フィルム40同士の距離が近くなっても、クロストークが発生しにくく、各変換フィルム40が適正に音を再生できる。
また、上述の変換フィルム10を振動板として用いる場合には、振動領域を四角形状にすることができるので、振動領域を高い密度で配列することができ、音の発生源となる物が表示されている位置から適正に音を発生できる。
これにより、本発明の映像音響システムは、臨場感のある音を再生できる。
また、上述の変換フィルム10を振動板として用いる変換ユニット40は従来のコーンスピーカと比較して厚さを薄くできるため、液晶ディスプレイや有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイ等の薄型のディスプレイと組み合わせても、全体の厚さを薄くできる。また、変換ユニット40は、従来のコーンスピーカと比較して軽量にできるため、薄型のディスプレイと組み合わせても軽量にすることができる。
ここで、音の発生源となる物が表示されている位置から適正に音を発生できる等の観点から、表示装置102の映像が表示される領域の面積に対する、複数の変換フィルム40の振動領域の総面積の割合は、80%以上が好ましく、85%以上がより好ましい。
また、表示装置102に表示される映像上での音の発生源となる物の位置に配置された変換ユニット40を用いて、音の発生源となる物から発生する音を発生する際には、1つの変換ユニット40を用いて音を発生してもよいし、2以上の変換ユニット40を用いて音を発生してもよい。
例えば、音の発生源となる物の映像上での大きさが、1つの変換ユニット40よりも大きい場合には、音の発生源となる物が表示される位置にある2以上の変換ユニット40から音を発生してもよい。
また、表示装置102の裏面側に配列される変換ユニット40の数は複数であれば限定はなく、表示装置102の大きさ、変換ユニット40の大きさ等に応じて適宜設定すればよい。
なお、変換ユニット40の数が多いほど、より高い精度で、音の発生源となる物の位置から音を発生することができ、いわゆる音の解像度を高くできる。一方で、変換ユニット40の数を多くするためには、各変換ユニット40の大きさを小さくする必要があるが、変換ユニット40が小さすぎると再生可能帯域が狭くなる等の問題が生じるおそれがある。
したがって、変換ユニットの数は、4個以上が好ましい。
また、変換ユニット40は、表示装置102の裏面に接して配置されてもよいし、表示装置102の裏面から所定の距離離間して配置されてもよい。
また、変換ユニット40に入力される音データは、あらかじめ映像データに基づいて、再生される変換ユニットの位置情報を付与されていればよい。
また、映像データおよび音データは、フィルム、ハードディスクドライブ、フラッシュメモリ、DVD、ブルーレイディスク等の各種記録媒体に記録されて提供されてもよく、あるいは、通信回線を介して提供されてもよい。
ここで、図1Aに示す映像音響システム100においては、1つの変換ユニット40が1つの振動領域を有する構成としたが、これに限定はされず、複数の振動領域を有する変換ユニット40を用いる構成としてもよい。
一例を、図5Aおよび図5Bに示す。
図5Aは、本発明の映像音響システムの他の一例を模式的に表す正面図であり、図5Bは、図5Aの側面図である。
図5Aおよび図5Bに示す映像音響システム110は、映像を表示する表示装置102と表示装置102の裏面側に全面的に配列された、複数の変換ユニット112とを有する。
図示例の映像音響システム110においては、40個の変換ユニット112が、表示装置102の裏面側の全面に、5行×8列のマトリックス状に配列されている。
変換ユニット112は、変換フィルム10に代えて、変換フィルム114を有する以外は、変換ユニット40と同様の構成を有する。
この変換ユニット112はそれぞれ、2つの振動領域114a、114bを有する。すなわち、映像音響システム110は、表示装置102の裏面側に、80個の振動領域が配列されたものである。
図6Aに、変換フィルム114の一例を模式的に表す上面図を示し、図6Bに、図6AのB−B線断面図を示す。
図6Aおよび図6Bに示す変換フィルム114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(図示例では上面)に形成される2つの上部薄膜電極16a、16bと、上部薄膜電極16a、16bの上にそれぞれ形成される2つの上部保護層20a、20bと、圧電体層12の上部薄膜電極16a、16bと逆面に形成される下部薄膜電極14a、14bと、下部薄膜電極14a、14bの上(図2では下面)に形成される下部保護層18と、側面絶縁層60とを有して構成される。
なお、図6Aにおいては、側面絶縁層60の図示を省略している。
また、変換フィルム114は、上部薄膜電極、下部薄膜電極および上部保護層をそれぞれ2つ有する以外は、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、以下の説明は異なる部位を主に行なう。
図に示すように、変換フィルム114は、圧電体層12の一面に、第1の上部薄膜電極16a、第2の上部薄膜電極16bを形成し、その上にそれぞれ第1の上部保護層20a、第2の上部保護層20bを形成し、圧電体層12の他方の面の、第1の上部薄膜電極16a、第2の上部薄膜電極16bにそれぞれ対向する位置に、第1の下部薄膜電極14a、第2の下部薄膜電極14bを形成し、その上に下部保護層18を形成し、第1の上部保護層20a、第2の上部保護層20bの端部および第1の上部保護層20a、第2の上部保護層20bの周辺で圧電体層12を覆う側面絶縁層60を設けてなる構成を有する。ここで、第1の上部薄膜電極16aと第1の下部薄膜電極14aとが第1の電極対を形成し、第2の上部薄膜電極16bと第2の下部薄膜電極14bとが第2の電極対を形成する。
すなわち、変換フィルム114は、圧電体層12の所定の領域をそれぞれ電極対(上部薄膜電極16および下部薄膜電極14)で挟持し、この積層体を、上部保護層20および下部保護層18で挟持してなる構成を有する。
このように、第1の上部薄膜電極16aおよび第1の下部薄膜電極14a(第1の電極対)で挾持された領域、ならびに、第2の上部薄膜電極16bおよび第2の下部薄膜電極14b(第2の電極対)で挾持された領域は、それぞれ印加された電圧に応じて駆動(振動)される。
このように電極対に挾持された領域がそれぞれ振動領域となる。また、第1の電極対で挾持された領域を、第1の振動領域114aとし、第2の電極対で挾持された領域を、第2の振動領域114bとする。
すなわち、変換フィルム114は、それぞれ異なる信号により駆動される2つの振動領域を有する。
このとき、本発明においては、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36中に圧電体粒子38を分散してなるものであるので、各振動領域の振動が互いに干渉することがないため、1枚の変換フィルム114に複数の振動領域を形成した場合でも、各振動領域がそれぞれ良好に音を発生することができる。
したがって、複数の振動領域を有する変換フィルム114を用いた変換ユニット112を複数、表示装置102の裏面側に配列し、表示装置102に表示される映像上での音の発生源となる物の位置に配置された振動領域を用いて、音の発生源となる物から発生する音を再生する構成とした場合にも、映像と音源位置が一致して、十分な臨場感を得られる。
複数の振動領域を有する変換フィルム114を用いた変換ユニット112を用いることで、振動領域の数をより多くすることができ、より高い精度で、音の発生源となる物の位置から音を発生することができ、いわゆる音の解像度をより高くできる。
ここで、図5Aおよび図5Bに示す例では、1つの変換ユニット112が2つの振動領域114a、114bを有する構成としたが、これに限定はされず、3以上の振動領域を有する構成としてもよい。すなわち、変換フィルムは、圧電体層が3以上の電極対に挟持される構成としてもよい。
また、図示例においては、複数の振動領域を有する変換フィルム114を用いた変換ユニット112を表示装置102の裏面側に複数、配列する構成としたが、これに限定はされず、複数の振動領域を有する変換フィルム114を用いた変換ユニット112を表示装置102の裏面側に1つ配置する構成であってもよい。
すなわち、表示装置102の裏面側の全面に対応して複数の振動領域が配列された、表示装置102の裏面の全面に対応した大きさの変換フィルムを用いた変換ユニット1つを表示装置102の裏面側に配置する構成としてもよい。
圧電体層12を複数の電極対で挟持する構成の変換フィルム114の製造方法としては特に限定はない。一例として、上述した変換フィルム10の製造方法において、保護層(下部保護層18、上部保護層20)の表面に真空蒸着等によって薄膜電極(下部薄膜電極14、上部薄膜電極16)を形成してシート状物11a、11cを作製する際に、薄膜電極を所定の形状、配置にパターニングして形成すればよい。
本発明の映像音響システムは、映画館のスクリーンおよびスピーカとして用いることができる。また、本発明の映像音響システムは、ホームシアター、デジタルサイネージ、プロジェクションマッピング、および、フレキシブル有機ELディスプレイ等における表示装置とスピーカとしても用いることができる。
また、変換ユニットとして、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を薄膜電極で挟持した変換フィルムを用いた変換ユニットを用いるので、変換ユニットに可撓性を付与することができ、プロジェクター用スクリーンやフレキシブル有機ELディスプレイ等の可撓性を有する表示装置と好適に組み合わせることができる。
また、本発明の映像音響システムに、2.1チャンネルや5.1チャンネル等の従来のスピーカシステムを組み合わせて利用してもよい。
例えば、表示装置に表示される映像に音の発生源となる物(音源)が表示されていない場面で、この音源からの音を再生する際には、すなわち、映像の外側に音源がある場面では、従来のスピーカシステムと同様に仮想音源を設定して音を再生し、一方、表示装置に表示される映像に音源が表示されている場面で、音源からの音を再生する際には、本発明の映像音響システムにより音を再生するようにしてもよい。
以上、本発明の映像音響システムについて詳細に説明したが、本発明は上述の例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよいのは、もちろんである。
以下、本発明の具体的実施例を挙げ、本発明についてより詳細に説明する。
[実施例1]
前述の図4A〜図4Eに示す方法によって、図3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。
一方、厚さ4μmのPETフィルムに、厚さ0.1μmの銅薄膜を真空蒸着してなるシート状物11aおよび11cを用意した。すなわち、本例においては、上部電極16および下部電極14は、厚さ0.1mの銅蒸着薄膜であり、上部保護層20および下部保護層18は厚さ4μmのPETフィルムとなる。
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。
このシート状物11aの下部電極14(銅蒸着薄膜)の上に、スライドコータを用いて、先に調製した圧電体層12を形成するための塗料を塗布した。なお、塗料は、乾燥後の塗膜の膜厚が20μmになるように、塗布した。
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。
この積層体11bの圧電体層12を、図4Cおよび図4Dに示す前述のコロナポーリングによって、分極処理した。なお、分極処理は、圧電体層12の温度を100℃として、下部電極14とコロナ電極30との間に6kVの直流電圧を印加してコロナ放電を生じさせて行った。
分極処理を行った積層体11bの上に、上部電極16(銅薄膜側)上にシアノエチル化プルランとシアノエチル化PVAの混合体(CR−M 信越化学工業製)を0.3μmになるように塗布したフィルムの塗布面を圧電体層12に向けてシート状物11cを積層した。
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。
作製した変換フィルム10を、ケース42に組み込んで変換ユニット40を作製した。
ここで、変換ユニット40における振動領域の大きさは、200mm×200mmとした。
ケース42は、一面が開放した箱型の容器で、外寸210mm×210mm、開放面の大きさ200mm×200mm、深さ4mm、高さ6mmのアルミニウム製の矩形容器を用いた。
また、ケース42内には、粘弾性支持体46を配置した。粘弾性支持体46は、組立前の高さ25mm、密度32kg/m3のグラスウールとした。
また、押圧部材48は、開口部の大きさ200mm×200mmのアルミニウム製の板状部材を用いた。
変換フィルム10を粘弾性支持体46およびケース42の開口部を覆うように配置して押圧部材48により周辺部を固定し、粘弾性支持体46により変換フィルム10に適度な張力と曲率を付与した。
一方、表示装置102として、スクリーンを用いた。
表示装置102の表示面の大きさは、623mm×1107mmであった。
この表示装置102の裏面側に、振動領域のサイズが200mm×200mmの10個の変換ユニット40を2行×5列のマトリックス状に配列して、映像音響システム100を作製した。すなわち、振動領域の数は10個であった。
表示装置102の表示面の面積に対する、複数の変換ユニット40の振動領域の総面積は、60%であった。
[実施例2]
表示装置102の裏面側に、15個の変換ユニット40を3行×5列のマトリックス状に配列した以外は実施例1と同様にして、映像音響システム100を作製した。すなわち、振動領域の数は15個であった。
表示装置102の表示面の面積に対する、複数の変換ユニット40の振動領域の総面積は、90%であった。
[実施例3]
2つの振動領域を有する変換フィルム114を用いた以外は、実施例2と同様にして図5Aに示すような映像音響システム110を作製した。
具体的には、シート状物11aおよび11cとして、厚さ4μmのPETフィルムに、厚さ0.1μmの銅薄膜をパターニングして真空蒸着により形成した。銅薄膜は、大きさ90mm×200mmで2箇所に形成した。このようにして作製したシート状物11a、11cを用いた以外は実施例2と同様にして変換ユニット114を作製し、映像音響システム110を作製した。すなわち、振動領域の数は30個であった。
表示装置102の表示面の面積に対する、複数の変換ユニット40の振動領域の総面積は、88%であった。
[比較例1]
表示装置102の周囲に、市販の5.1チャンネルのスピーカシステム(パイオニア株式会社製 HTP−S767)を配置して映像音響システムとした。
[評価]
<立体感>
作製した映像音響システム100に、ある映画の映像信号および音信号を入力し、映像と音の位置があっていて音の定位ができることで、音に立体感があるか官能評価を行った。
評価は、20人による官能評価で行い、立体感があると評価した人数が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、14人以上、16未満の場合を評価Cとし、14人未満の場合を評価Dとした。
なお、実施例1〜3についてはそれぞれ、あらかじめ、映像に基づいて各変換ユニット(振動領域)に入力される音データを作成しておき、映像信号の再生に合わせてこの音データを各変換ユニットに入力して評価を行った。
結果を表1に示す。
表1より、本発明の映像音響システムの実施例は、比較例に比べて、音の立体感の評価が高くなっており、臨場感が高いことがわかる。
また、実施例1と実施例2との対比から、表示装置において映像が表示される領域の面積に対する、複数の振動領域の総面積の割合が80%以上であるのが好ましいことがわかる。
また、実施例2と実施例3との対比から、複数の振動領域を有する変換ユニットを用いて、振動領域の数を多くすることで、音の解像度を高くでき、より音の立体感を高く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。
10、114 電気音響変換フィルム
11a、11c シート状物
11b 積層体
12 圧電体層
14、14a、14b 下部薄膜電極
16、16a、16b 上部薄膜電極
18 下部保護層
20、20a、20b 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、112 電気音響変換ユニット
42 ケース
46 粘弾性支持体
48 押圧部材
60 側面絶縁層
100、110 映像音響システム
102 表示装置
114a、114b 振動領域

Claims (7)

  1. 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備え、前記電気音響変換フィルムを湾曲して支持し、前記電気音響変換フィルムの少なくとも一部を振動領域とする電気音響変換ユニット、および、
    映像が投影されるスクリーン、または、映像表示装置である表示装置を含み、
    少なくとも1つの前記電気音響変換ユニットが、前記表示装置の映像が表示される面とは反対側の背面に配置され、かつ、複数の前記振動領域が前記表示装置の前記背面の全面に配列されており、
    前記電気音響変換ユニットに入力される音データに前記振動領域の位置情報が含まれており、
    前記表示装置において映像が表示される領域の面積に対する、複数の前記振動領域の総面積の割合が80%以上であることを特徴とする映像音響システム。
  2. 前記表示装置に表示される映像に基づいて、前記表示装置の前記背面に配列された複数の前記振動領域から少なくとも1つの前記振動領域を選択して音を発生させる請求項1に記載の映像音響システム。
  3. 前記振動領域が四角形状である請求項1または2に記載の映像音響システム。
  4. 前記振動領域を4個以上有する請求項1〜のいずれか一項に記載の映像音響システム。
  5. 1つの前記振動領域を有する前記電気音響変換ユニットを複数有し、
    複数の前記電気音響変換ユニットが、前記表示装置の前記背面に配列されている請求項1〜のいずれか一項に記載の映像音響システム。
  6. 前記電気音響変換フィルムは、前記高分子複合圧電体を挟持する薄膜電極の組を複数有し、複数の振動領域を形成されてなるものである請求項1〜のいずれか一項に記載の映像音響システム。
  7. 映画館、ホームシアター、デジタルサイネージ、プロジェクションマッピング、および、フレキシブル有機ELディスプレイのいずれかに用いられる請求項1〜のいずれか一項に記載の映像音響システム。
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