JP7370039B2 - 音圧－電気信号変換装置及びその変換方法 - Google Patents

Description

本発明は、スピーカやマイクロフォンなどの音圧と電気信号との間を相互に信号変換可能な静電型の音圧－電気信号変換装置及びその変換方法に関し、特に、三次元的な変形を可能とするシート状の静電型音圧－電気信号変換装置及びその変換方法に関する。

音圧（音）を電気信号に変換するマイクロフォンや、逆に、電気信号を音圧に変換するスピーカなどの音圧－電気信号変換装置が知られている。マイクロフォンもスピーカも、その基本的な構造はほぼ共通しており、一般的には、電磁石を用いて電磁誘導による信号変換を行っている。（なお、構造が共通するため、以下においては、スピーカ又はマイクロフォンの一方についてのみ説明する。）一方、静電力（クーロン力）を利用して、空間に音圧を形成させる静電型（コンデンサ型）スピーカも提案されている。間隔を開けて対向する２枚の電極の間に挿入された導電性の振動板に所定のバイアス電圧を印加しておき、電極間の電圧を変化させると、振動体に作用する静電力の変化で振動体を振動させて空間に音圧を形成させるのである。

例えば、特許文献１では、導電性を有する繊維で形成された織布のような貫通孔を有する電極を用いた静電型スピーカが開示されている。ＰＥＴやＰＰなどの高分子樹脂フィルムに金属膜を蒸着又は導電性塗料を塗布した数μｍ～数十μｍ程度の厚さの振動体は、絶縁性、弾性、及び音響透過性を有するセパレータを介して一対の布電極で挟み込まれている。布電極は貫通孔を有するため、振動体からの音圧は外部に良好に放出されるとしている。

上記したような静電型スピーカではバイアス電圧を必要とする上に、絶縁性のセパレータを介して振動体を駆動させているため駆動電圧が高くなる。

一方、特許文献２では、薄膜状部材からなる振動膜に対向して配置される導電性の音響透過性を有する平面電極を有するとともに、振動膜及び平面電極の間に配置され、少なくとも振動膜に対向する部分が振動膜とは帯電列上において離れた材料を含んで形成される緩衝部材を備える静電型スピーカが開示されている。振動膜には振動によって摩擦帯電し、電荷量がより大きくなって高電位を印加した場合と同様の効果が得られるため、音圧を形成するのに必要な印加電圧をより低くすることができるとしている。

特開２００９－２８４３９７号公報 特開２０１２－１８２６８４号公報

静電型の音圧－電気信号変換装置では、振動板とこれを挟み込む電極との間の絶縁性を確保しなければならず、結果として駆動電圧が高くなる。特に、三次元的な変形を可能とするシート状の装置の場合、変形に対しても絶縁性を十分に確保する必要がある。

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、三次元的な変形を可能とするとともに駆動電圧の低いシート状の静電型音圧－電気信号変換装置及びその変換方法を提供することにある。

本発明による音圧－電気信号変換装置は、対向する一対の電極の間にポリマーシートを挟み込んだ音圧－電気信号変換装置であって、前記ポリマーシートは誘電体フィルムであり、前記電極のうちの少なくとも一方は、複数の貫通孔を有する絶縁性の可撓性基体と、前記可撓性基体に一端部を固定された複数の導電性繊維と、からなり、前記導電性繊維同士の接触によって面内方向の電気的導通を形成させ、一対の前記電極に電気信号を与えることで前記導電性繊維を振動させて音圧を発生させ、又は、音圧を受けて前記導電性繊維を振動させることで一対の前記電極に電気信号を出力させることを特徴とする。

かかる発明によれば、絶縁性の誘電体フィルムについて絶縁層を介せずとも電極を与えることが出来て、厚さを薄く出来るから、三次元的な変形を容易とするとともに駆動電圧をより低くすることができる。

上記した発明において、変形させたときに実質的に周波数特性を変化させないことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、電極が音圧の形成又は電気信号への変換を担うため変形による周波数特性の変化がなく、三次元的な変形に対しても動作安定性に優れるのである。

上記した発明において、前記誘電体フィルムは圧電変換フィルムであることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、バイアス電圧を与える必要もなく、駆動電圧を低くすることができる。

上記した発明において、前記導電性繊維は、前記可撓性基体の一方の主面に与えられて、前記ポリマーシートと対向して位置することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、駆動電圧をより低くすることができるのである。

上記した発明において、前記可撓性基体は、伸縮性を有することを特徴としてもよい。また、前記可撓性基体は、織布又は繊維メッシュ、前記貫通孔を与えられた紙又は樹脂シートからなることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、三次元的な変形に対する動作安定性に優れるから多彩な用途に適用可能である。

上記した発明において、前記導電性繊維は、剛性を制御された針状体の表面に導電性皮膜を与えた繊維であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、簡便に用途に合わせた装置を得られるのである。

上記した発明において、前記導電性繊維は、前記貫通孔の平均開口幅よりも短い平均長さであることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、三次元的な変形に対しても動作安定性に優れるのである。

また、本発明による変換方法は対向する一対の電極の間にポリマーシートを挟み込んだ音圧－電気信号変換装置による音圧－電気信号の変換方法であって、前記ポリマーシートは誘電体フィルムであり、前記電極のうちの少なくとも一方は、複数の貫通孔を有する絶縁性の可撓性基体と、前記可撓性基体に一端部を固定された複数の導電性繊維と、からなり、前記導電性繊維同士の接触によって面内方向の電気的導通を形成させ、一対の前記電極に電気信号を与えることで前記導電性繊維を振動させて音圧を発生させ、又は、音圧を受けて前記導電性繊維を振動させることで一対の前記電極に電気信号を出力させることを特徴とする。

かかる発明によれば、絶縁性の誘電体フィルムについて絶縁層を介せずとも電極を与えることが出来て、厚さを薄く出来るから、三次元的な変形を可能とするとともに駆動電圧をより低くすることができる。

上記した発明において。前記音圧－電気信号変換装置を変形させたときに実質的に周波数特性を変化させないことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、電極が音圧の形成又は電気信号への変換を担うため変形による周波数特性の変化がなく、三次元的な変形に対しても動作安定性に優れるのである。

上記した発明において、前記誘電体フィルムは圧電変換フィルムであることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、バイアス電圧を与える必要もなく、駆動電圧を低くすることができる。

上記した発明において、前記導電性繊維は剛性を制御された針状体の表面に導電性皮膜を与えた繊維であって、前記剛性により周波数帯域を制御することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、簡便に用途に合わせた装置を得られるのである。

本発明の実施例による音圧－電気信号変換装置の断面図である。 音圧－電気信号変換装置の一方の電極の平面図である。 音圧－電気信号変換装置の原理を説明する断面図である。 ポリマーシートの他の配置例を示す音圧－電気信号変換装置の断面図である。 ポリマーシートの膜厚と音圧との関係を示すグラフである。 電極の通常時と伸長時との比較写真である。 音圧－電気信号変換装置の長率と音圧との関係を示すグラフである。 伸長率毎の周波数と音圧との関係を示すグラフである。 導電性繊維の種類による周波数と音圧との関係を示すグラフである。 他の実施例における音圧－電気信号変換装置の断面図である。 同実施例における音圧－電気信号変換装置の（ａ）外観写真、及び、（ｂ）要部の拡大写真である。 同実施例における音圧－電気信号変換装置を伸長させたときの（ａ）外観写真、及び、（ｂ）拡大写真である。

［実施例１］
以下、本発明の１つの実施例である音圧－電気信号変換装置１について、図１乃至図３を用いてその詳細を説明する。

図１に示すように、音圧－電気信号変換装置１は、シート状に拡がって対向する一対の電極１０の間にポリマーシート２を挟み込んだ装置である。ポリマーシート２は、誘電体フィルムであり、電極１０同士を互いに絶縁する。つまり、他に絶縁層を設ける必要はない。ポリマーシート２としては、誘電体フィルムを用いる。すなわち、電極１０同士を電気的に絶縁しつつ外部の電場に対して有電分極を生じさせる。特に、ポリマーシート２はμｍオーダーの薄いものとすることが好ましく、薄くすることで電極１０同士の距離を短くできて駆動電圧をより低くすることができる。

また、この誘電体フィルムとしてはエレクトレットフィルムであることが特に好ましい。エレクトレットフィルムは上記したような誘電体であるとともに、負の電荷を内部の負電荷層にトラップして両主面には負電荷層からの距離に反比例した正電荷を誘起させ、表面に帯電する。また、空孔を備えたり硬さの異なる材料で形成されたりして厚さ方向に不連続な構造を有し、圧電変換効果も備える圧電変換フィルムであり得る。

かかるエレクトレットフィルムとしては、例えば、フッ素系ポリマーを好適に用い得る。また、多孔質フッ素系ポリマーメンブレンを用いるなどして、伸縮性を持たせてもよい。

図２を併せて参照すると、電極１０は、絶縁性の可撓性基体１１と、可撓性基体１１にその一端を固定される導電性繊維１３とを含む。可撓性基体１１は、例えば織布又は繊維メッシュを用い得る。また、両主面を貫通する複数の貫通孔１４を備えて可撓性及び絶縁性を有するシート状体であれば他の材料でもよく、例えば、複数の貫通孔１４を有する紙や樹脂シートとし得る。

導電性繊維１３は、例えば、銀メッキをした繊維や、カーボン繊維など、繊維同士の接触によって導通を得られる繊維体である。また、一端部を可撓性基体１１に固定させるために、短繊維であることも好ましい。ここで一端部を固定するとは、必ずしも両端のうちの一端部のみを固定するものではない。導電性繊維１３の一部を可撓性基体１１に固定させてポリマーシート２側の部分を可動とするように固定させていればよい。また、導電性繊維１３の中間部分を振動可能とするように両端を固定してもよく、金属メッシュなども用い得る。さらに、導電性繊維１３は、互いに接触することで可撓性基体１１上の面内に沿った方向の電気的導通を形成させるような密度や配置とされる。

可撓性基体１１への導電性繊維１３の固定は、粘着剤１２を用いることができる。粘着剤１２は、図示するように、可撓性基体１１の貫通孔１４の少なくとも一部を露出させるようにメッシュ状に配されることが好ましい。粘着剤１２としては、アクリル系粘着剤やウレタン系粘着剤など、様々なものを用い得る。なお、粘着剤１２によらずとも接着剤を用いた固定や植設による固定など、他の固定方法を用いることもできる。

以上のような音圧－電気信号変換装置１によれば、電極１０に電気信号を与えることで、導電性繊維１３を振動させて音圧を発生させることができる。つまり、スピーカとして用い得る。また、音圧を受けて導電性繊維１３を振動させることで、一対の電極１０に電気信号を出力させることができる。つまり、マイクロフォンとして用い得る。

特に、図３に示すように、音圧－電気信号変換装置１をスピーカとして使用した場合に、電極１０に電気信号を入力すると誘電体フィルムであるポリマーシート２を挟んで対向する導電性繊維１３同士の互いが引力や斥力を得て振動する。その振動により発生する音圧は、メッシュ状に配された粘着剤１２の複数の孔及び可撓性基体１１の両主面を貫通する複数の孔を通って電極１０の外部に伝播する（矢印参照）。なお、粘着剤１２は必ずしも孔を必要とせず、粘着剤１２を通過させても音圧を伝播させ得る。

つまり、音圧－電気信号変換装置１では、一対の電極１０に挟まれたポリマーシート２を振動板とするのではなく、電極１０の一部である導電性繊維１３を振動子とするのである。導電性繊維１３は、一部を可撓性基体１１に固定されて他部を可動とするので、個々に振動子として機能し、音圧の形成を担う。

また、ポリマーシート２を挟んで対向する電極１０は互いに絶縁されつつ、その距離をポリマーシート２の厚さまで近接させ得る。これらによって、駆動電圧が低くても高い音圧を得ることができる。特に、導電性繊維１３は、可撓性基体１１の一方の主面に固定されて、ポリマーシート２と対向するよう配置されることが好ましい。これによって導電性繊維１３をポリマーシート２に近接させて、結果として対向する電極１０に最も接近させ得る。これにより、さらに駆動電圧を低くし得る。

また、ポリマーシート２をエレクトレットフィルムとすると、表面電圧を例えば－２００Ｖ以上とするような帯電を得ることができ、バイアス電圧を与える必要もない。

さらに、音圧－電気信号変換装置１は、可撓性を有する材料によって構成したので曲げたりねじったりするなど三次元的に変形させることが可能である。また、伸縮性のある材料で構成して伸縮可能としてもよい。加えて、上記したように、導電性繊維１３の個々を振動子とするので、音圧－電気信号変換装置１を三次元的に変形させても、導電性繊維１３それぞれの可撓性基体１１への固定状態に変化はなく、実質的に周波数特性を変化させない。つまり、音圧－電気信号変換装置１は、変形に対する動作安定性に優れる。

なお、図４に示すように、伸縮性のない材料でポリマーシート２’を得る場合であっても、ポリマーシート２’の複数を互いに部分的に重ねてスライド可能としつつ電極１０同士の絶縁を維持することで、音圧－電気信号変換装置１を伸縮可能とし得る。

また、音圧－電気信号変換装置１をマイクロフォンとして用いても、上記と同様な理由で、バイアス電圧を与えずともよく、低い音圧でも大きな電気信号を得ることができる。この場合、導電性繊維１３は音圧の電気信号への変換を担う。

なお、導電性繊維１３は、剛性を制御された針状体の表面に導電性皮膜を与えた繊維であってもよい。この剛性により周波数帯域を制御することで、用途にあわせた周波数特性を有する電気信号変換装置１を簡便に得ることができる。

また、一対の電極１０のうち一方のみに導電性繊維１３を配したものとしてもよい。つまり、他方の電極を、薄膜などで形成してもよい。この場合、一方の電極１０に配された導電性繊維１３を振動させることで上記と同様のスピーカ又はマイクロフォンとして使用し得る。

［スピーカ製作試験］
次に、音圧－電気信号変換装置１を実際に複数製作して、スピーカとして用いた場合の音圧特性などを調査した結果について図５～図８を用いて説明する。

図５に示すように、ポリマーシート２の膜厚を変えて音圧を測定したところ、膜厚の薄いものの方が高い音圧を得られることが判った。また、ポリマーシート２の厚さをμｍオーダーと薄くすることで高い音圧を得られて好ましいことも判った。つまり、上記した音圧－電気信号変換装置１によれば、電極１０同士の距離を近くできるので、低い駆動電圧でも高い音圧を得ることが可能であることを再確認できた。

図６には、一方の電極１０の導電性繊維１３を固定した面側から見た写真を示した。特に、伸長前の上の写真に対して、下の写真では紙面に向かって左右方向に張力を付与して伸長させた。また、各写真の左右の端部はそれぞれ伸長前と伸長後とでそれぞれ対応する位置であった。この例においては、伸長率で約５０％（長さで１５０％）を超えた。

図７には、上記で電極１０を伸長させたのと同様に、音圧－電気信号変換装置１を伸長させたときの音圧の変化を示した。図示したように、伸長率を大とするほど音圧も大きくなった。これは、伸長によって電極１０の可撓性基体１１の貫通孔１４の開き目が大きくなり、電極１０の外部への音圧の伝播が良好になったものと考えられる。また、伸長によってポリマーシート２の厚さを薄くして電極１０間の距離を短くしたためとも考えられる。

図８には、伸長率毎の周波数と音圧（出力）との関係（周波数特性）を示した。伸長率が０％から２０％、５０％と高くなることで音圧は高くなったが、周波数特性に実質的な変化は観察されなかった。

図９には、導電性繊維１３の種類による周波数と音圧との関係（周波数特性）を示した。導電性繊維１３として、銀メッキ短繊維、銀メッキ撚糸、金属メッシュの３種類を用いた。周波数の低い低音域における出力は、金属メッシュにおいて最も高く、次いで銀メッキ撚糸、銀メッキ短繊維の順となった。導電性繊維１３の単位重量を大きくするほど低音域の出力を大とし、単位重量を小さくするほど高温域の出力を大とできる傾向にあった。つまり、これらのような複数の種類の導電性繊維１３を組み合わせて配置することでも周波数特性を調整し得る。

［実施例２］
次に、本発明の他の１つの実施例である音圧－電気信号変換装置１’について、図１０乃至図１２を用いてその詳細を説明する。

図１０に示すように、音圧－電気信号変換装置１’は、上記した音圧電気信号変換装置１と同様に、シート状に拡がって対向する一対の電極１０’の間にポリマーシート２を挟み込んだ装置である。ポリマーシート２は、誘電体フィルムであり、電極１０’同士を互いに絶縁する。

ここで、電極１０’は、絶縁性の可撓性基体１１’と、可撓性基体１１’にその一端を固定される導電性繊維１３とを含む。可撓性基体１１’は、粘着剤を含侵又は塗工されており、例えば織布又は繊維メッシュを用い得る。ここではグラスファイバーネットに粘着剤を塗工したものを用いた。そして、導電性繊維１３の一部を粘着剤で可撓性基体１１’に固定し、他部を可動とする。例えば、導電性繊維１３のうち、可撓性基体１１’の貫通孔１４(図１１（ｂ）参照)に配置された部分を可動とする。

また、電極１０’は、粘着剤を含侵された可撓性基体１１’を外部に対して封止するための封止シート２１と、封止シート２１の端部を封止する封止用粘着体２２とを含む。封止シート２１は、例えば、厚さ１０～３０μｍの樹脂フィルムが好適であり、厚さ５００μｍ以下の不織布なども好適に用い得る。封止シート２１は、音圧－電気信号変換装置１’に必要とされる変形を阻害せずに粘着剤を外部に対して封止でき、音圧の内外への伝搬を阻害しないものが選択される。その他については、実施例１と同様である。

つまり、可撓性基体１１’に粘着剤を塗工することで、粘着剤を単独でメッシュ状に配置させる必要がなくなり、製造の手間を省くとともに、用い得る粘着剤の種類についての自由度を向上させ得る。また、可撓性基体１１’の貫通孔１４と粘着剤の孔を一致させることになり、貫通孔１４を部分的に粘着剤で塞ぐこともなく、音圧の伝播に有利となる。さらに、音圧－電気信号変換装置１’の変形に伴う貫通孔１４の変形においても粘着剤の孔を追従させることになり、可撓性基体１１’に一部を固定された導電性繊維１３の他部の可動性を確保できる。

図１１には、このようにして製造した音圧－電気信号変換装置１’の（ａ）外観写真及び（ｂ）封止シート２１を取り外した状態の拡大写真を示した。可撓性基体１１’の貫通孔１４に多数の導電性繊維１３が配置されていることが観察された。

図１２には、音圧－電気信号変換装置１’を主面に沿った方向に伸長させた状態での（ａ）外観写真、（ｂ）拡大写真を示した。このように伸長させた場合でも、音圧－電気信号変換装置１’の周波数特性に実質的な変化は観察されなかった。

以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

１ 音圧－電気信号変換装置
２ ポリマーシート
１０ 電極
１１ 可撓性基体
１２ 粘着剤
１３ 導電性繊維
１４ 貫通孔

Claims (12)

1. 対向する一対の電極の間にポリマーシートを挟み込んだ音圧－電気信号変換装置であって、
   前記ポリマーシートは誘電体フィルムであり、
   前記電極のうちの少なくとも一方は、複数の貫通孔を有する絶縁性のシート状体である可撓性基体と、前記可撓性基体の一方の主面に一端部を固定されて可動部分を有する複数の導電性繊維と、からなり、前記導電性繊維同士の接触によって面内方向の電気的導通を形成させ、前記可撓性基体の前記一方の主面を前記ポリマーシートと対向するように配置し前記導電性繊維の前記可動部分を前記ポリマーシートに近接させ、
   一対の前記電極に電気信号を与えることで前記導電性繊維を振動させて音圧を発生させ、又は、
   音圧を受けて前記導電性繊維を振動させることで一対の前記電極に電気信号を出力させることを特徴とする音圧－電気信号変換装置。
2. 変形させたときに実質的に周波数特性を変化させないことを特徴とする請求項１記載の音圧－電気信号変換装置。
3. 前記誘電体フィルムは圧電変換フィルムであることを特徴とする請求項１又は２に記載の音圧－電気信号変換装置。
4. 前記導電性繊維は、前記可撓性基体の前記貫通孔の少なくとも一部を露出させるようにメッシュ状に前記一方の主面に配されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載の音圧－電気信号変換装置。
5. 前記可撓性基体は、伸縮性を有することを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載の音圧－電気信号変換装置。
6. 前記可撓性基体は、織布又は繊維メッシュ、前記貫通孔を与えられた紙又は樹脂シートからなることを特徴とする請求項１乃至５のうちの１つに記載の音圧－電気信号変換装置。
7. 前記導電性繊維は、剛性を制御された針状体の表面に導電性皮膜を与えた繊維であることを特徴とする請求項１乃至６のうちの１つに記載の音圧－電気信号変換装置。
8. 前記導電性繊維は、前記貫通孔の平均開口幅よりも短い平均長さであることを特徴とする請求項１乃至７のうちの１つに記載の音圧－電気信号変換装置。
9. 対向する一対の電極の間にポリマーシートを挟み込んだ音圧－電気信号変換装置による音圧－電気信号の変換方法であって、
   前記ポリマーシートは誘電体フィルムであり、
   前記電極のうちの少なくとも一方は、複数の貫通孔を有する絶縁性のシート状体である可撓性基体と、前記可撓性基体の一方の主面に一端部を固定されて可動部分を有する複数の導電性繊維と、からなり、前記導電性繊維同士の接触によって面内方向の電気的導通を形成させ、前記可撓性基体の前記一方の主面を前記ポリマーシートと対向するように配置し前記導電性繊維の前記可動部分を前記ポリマーシートに近接させ、
   一対の前記電極に電気信号を与えることで前記導電性繊維を振動させて音圧を発生させ、又は、
   音圧を受けて前記導電性繊維を振動させることで一対の前記電極に電気信号を出力させることを特徴とする音圧－電気信号変換方法。
10. 前記音圧－電気信号変換装置を変形させたときに実質的に周波数特性を変化させないことを特徴とする請求項９記載の音圧－電気信号変換方法。
11. 前記誘電体フィルムは圧電変換フィルムであることを特徴とする請求項１０記載の音圧－電気信号変換方法。
12. 前記導電性繊維は剛性を制御された針状体の表面に導電性皮膜を与えた繊維であって、前記剛性により周波数帯域を制御することを特徴とする請求項９乃至１１のうちの１つに記載の音圧－電気信号変換方法。