JP2008141380A - 電場応答性高分子を用いた振動素子 - Google Patents

Abstract

【課題】電場応答性高分子を用いて、高効率で形状や利用形態の面で自由度の高い振動素子を提供する。
【解決手段】オーディオ信号を振動に変換する振動素子において、正極端子１２４及び負極端子１２５を有する２枚の電場応答性高分子１２１、１３１を有し、電場応答性高分子１２１、１３１は、スペーサ１５０により所定の距離を離して平行に設置され、２枚の電場応答性高分子１２１、１３１は中央で互いに接合され、常に引き合った状態を保つとともに、２枚の電場応答性高分子１２１、１３１の負極端子１２５は、互いに接続され、正極端子１２４は、それぞれ独立に設けたことによって上記の課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘電エラストマーからなる電場応答性高分子（ Electroactive Polymer ）に関するものであって、さらに詳しくは、電場応答性高分子を用いた振動素子に関するものである。

過去十数年間、誘電エラストマーからなる電場応答性高分子の研究は、アクチュエータに焦点を当てたものがほとんどであった。この誘電性エラストマーは、強い電場の中に置くと、電場の方向に収縮し、電場と垂直な方向に膨張する。これは、クーロン力によるものである。したがって、誘電エラストマーを帯電した柔軟（compliant）な２枚の電極間に挟むことによって、ゴムのような弾性を持つコンデンサーが構成される。これに電圧をかけると、一方の電極にはプラスの電荷が、反対側の電極にはマイナスの電荷が蓄えられる。その結果、電極間に引力が生じ、この力によって誘電エラストマーが押しつぶされ、面方向に膨張する。この変化をロボット等のアクチュエータとして用いることが注目を集めている（例えば、特許文献１、２）。
米国特許第６７８１２８４号明細書 米国特許第６８８２０８６号明細書

ところが、この電場応答性高分子を用いて振動素子を構成することによって、高効率で形状や利用形態の面で自由度の高い振動素子が得られることについては知られておらず、これまで、実用可能な電場応答性高分子を用いた振動素子については、実現されていなかった。

そこで、本発明の目的は、電場応答性高分子を用いて、高効率で形状や利用形態の面で自由度の高い振動素子を開発することにある。

本請求項１に係る発明は、オーディオ信号を振動に変換する電場応答性高分子を用いた振動素子において、正極端子及び負極端子を有する２枚の前記電場応答性高分子を有し、前記電場応答性高分子は、スペーサにより所定の距離を離して平行に設置され、前記２枚の電場応答性高分子は中央で互いに接合され、常に引き合った状態を保つとともに、前記２枚の電場応答性高分子の前記負極端子は、互いに接続され、前記正極端子は、それぞれ独立に設けられた構成を有することによって、上記の課題を解決するものである。
なお、本発明におけるオーディオ信号とは、可聴領域の信号に限られるわけではなく、低周波数域は、１Ｈｚ以下の直流領域から、高周波域は６０Ｋｚまで広い領域の信号を対象としている。

本請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明の構成に加えて、２枚の電場応答性高分子の中央接合部に中央固定軸が垂設され、前記中央固定軸に振動板を接続したことによって上記の課題をさらに解決するものである。

ここで、本発明における電場応答性高分子とは、米国のカリフォルニア州に本拠を構えるＳＲＩインターナショナルで開発された新素材であって、アクリル系樹脂やシリコーン系樹脂などからなるゴム状の薄い高分子（誘電体エラストマー）を伸び縮み可能な柔軟な電極で挟んだ構成をしており、ＥＰＡＭ（イーパム：Electroactive Polymer Artificial Muscle）との商品名で市販されているものである。

本請求項１に係る電場応答性高分子を用いた振動素子は、正極端子及び負極端子を有する２枚の電場応答性高分子を有し、前記電場応答性高分子は、スペーサにより所定の距離を離して平行に設置され、前記２枚の電場応答性高分子は中央で互いに接合され、常に引き合った状態を保つとともに、前記２枚の電場応答性高分子の前記負極端子は、互いに接続され、前記正極端子は、それぞれ独立に設けられた構成としたことによって、オーディオ信号のマイナス側は、互いに接続された共通の前記負極端子に供給され、一方、プラス側は、前記２枚の電場応答性高分子ににそれぞれ独立に設けられた前記正極端子に逆位相として供給することによって、前記オーディオ信号が効率よく前記電場応答性高分子を振動させることができるので、高効率で形状や利用形態の面で自由度が高く、しかもダイナミック・レンジが大きな振動素子を構成することができる。

本請求項２に係る電場応答性高分子を用いた振動素子によれば、請求項１に係る電場応答性高分子を用いた振動素子が奏する効果に加えて、２枚の電場応答性高分子の中央接合部に中央固定軸が垂設され、前記中央固定軸に振動板を接続したことによって、前記電場応答性高分子の振動をさまざまな利用形態に応じて取り出すことができるので、さらに、高効率で形状や利用形態の面で自由度の高い振動素子を構成することができる。

以下、本発明の電場応答性高分子（以下、ＥＰＡＭと称す）を用いた振動素子の実施形態について、図１乃至図６に基づき説明する。

図１は、本発明のＥＰＡＭを用いた振動素子の一実施形態の外観を示した斜視図である。図２は、図１のII−II線で切断したときの断面図である。図３は、本発明のＥＰＡＭを用いた振動素子への供給信号波形の一例である。図４は、本発明のＥＰＡＭを用いた振動素子を使用する際のシステム概略図である。図５は、本発明のＥＰＡＭを用いた振動素子に適用される信号変換器の一例を示した概略図を示している。図６は、本発明のＥＰＡＭを用いた振動素子の使用形態の一例である。

まず、本発明のＥＰＡＭを用いた振動素子の一構成例について、図１及び図２に基づき説明する。図１は、ＥＰＡＭを用いた振動素子１００の一構成例を示した斜視図であり、図２は、図１のII−II線で切断したときの断面図である。第１のＥＰＡＭ膜１２１及び第２のＥＰＡＭ膜１３１は、図２に示すように、それぞれ、フレーム１２２とフレーム１２３及びフレーム１３２とフレーム１３３によって挟まれて保持されていると共に、それぞれ、正極端子１２４及び正極端子１３４並びに負極端子１２５及び負極端子１３５がフレームから外部に取り出されて、第１のＥＰＡＭユニット１２０及び第２のＥＰＡＭユニット１３０を構成している。

そして、第１のＥＰＡＭユニット１２０と第２のＥＰＡＭユニット１３０は、スペーサ１５０を挟んで所定の距離を離して平行に設置され、第１のＥＰＡＭ膜１２１及び第２のＥＰＡＭ膜１３１の中央に設けられた中央接合部１２６、１３６で第１のＥＰＡＭ膜１２１及び第２のＥＰＡＭ膜１３１が互いに接合されることによって、常に引き合った状態が保たれるように構成されている。この中央接合部１２６、１３６には、中央固定軸１４０が垂設されている。

また、第１のＥＰＡＭユニット１２０の負極端子１２５と第２のＥＰＡＭユニット１３０の負極端子１３５は、互いに接続されて負極共通端子１６０を構成している。一方、第１のＥＰＡＭユニット１２０の正極端子１２４と第２のＥＰＡＭユニット１３０の正極端子１３４は、それぞれ独立して設けられている。

そして、図５に示したようにオーディオ信号３２０は、１次側が２端子で２次側が３端子であるオーディオ用トランスからなる信号昇圧部２１０を介して、ＥＰＡＭ振動素子１００の第１のＥＰＡＭユニット１２０及び第２のＥＰＡＭユニット１３０の負極側（負極共通端子１６０）に、共通で供給される。一方、正極側は、第１のＥＰＡＭユニット１２０及び第２のＥＰＡＭユニット１３０にそれぞれ、別個に供給される。それぞれのＥＰＡＭユニット１２０、１３０は、供給された信号の電位差に応じて張力が変化する。これにより、供給された信号に応じて、それぞれのＥＰＡＭユニット１２０、１３０が変位し、振動として出力される。なお、本実施例では、信号昇圧部２１０をオーディオ用トランスを用いて構成しているが、トランスを用いることなくトランジスタやＦＥＴなどの半導体により構成することも可能である。

そして、第１のＥＰＡＭユニット１２０の正極端子１２４及び第２のＥＰＡＭユニット１３０の正極端子１３４に供給される信号は、信号昇圧部２１０の二次側中央端子２２０とＥＰＡＭ振動素子１００の負極共通端子１６０の間に設けられたバイアス部２３０によって、図３に示すように、バイアス電圧に重畳され印加される。そして、第１のＥＰＡＭユニット１２０と第２のＥＰＡＭユニット１３０に供給される正極側の信号は、振幅は同じであるが、逆位相の信号が供給される。その結果、第１のＥＰＡＭユニット１２０のＥＰＡＭ膜１２１が緊張する時に、第２のＥＰＡＭユニット１３０のＥＰＡＭ膜１３１が弛緩し、逆に、第２のＥＰＡＭユニット１３０のＥＰＡＭ膜１３１が緊張する時に、第１のＥＰＡＭユニット１２０のＥＰＡＭ膜１２１が弛緩するため、その相乗効果によってダイナミック・レンジが大きな振動素子が得られる。

図４は、実際に音源３００に本発明のＥＰＡＭ振動素子１００を接続するシステム概略図である。音源３００から出力されたオーディオ信号３１０は、オーディオ増幅器４００で増幅されて、オーディオ信号３２０として、信号昇圧部２１０及びその二次側中央端子２２０並びにバイアス部２３０を有する信号変換器２００を介してＥＰＡＭ振動素子１００に供給される。なお、本実施例においては、好適な実施例として、音源３００としてＣＤやラジオなどのオーディオ機器を用いて、ＥＰＡＭ振動素子１００をスピーカとして用いることを想定しているが、例えば、音源３００として振動を検知するピックアップや騒音などを拾うマイクを用いて、その振動や騒音などの逆位相の出力をＥＰＡＭ振動素子１００が出すことによって、消音装置や制振装置として用いることも可能である。

次に、ＥＰＡＭを用いた振動素子の別の実施形態について、図６に基づき説明する。振動素子そのものの形態、動作原理などについては、実施例１と同じなので、参照符号の３桁目を６として、下２桁を実施例１と同じにするとともに、詳しい説明は省略する。

図６には、ＥＰＡＭ振動素子６００の概略断面図を示している。図６に示したように、第１のＥＰＡＭ膜６２１及び第２のＥＰＡＭ膜６３１は、それぞれ、フレーム６２２とフレーム６２３及びフレーム６３２とフレーム６３３によって挟まれて保持されていると共に、それぞれ、正極端子６２４及び正極端子６３４並びに負極端子６２５及び負極端子６３５がフレームから外部に取り出されて、第１のＥＰＡＭユニット６２０及び第２のＥＰＡＭユニット６３０を構成している。

そして、第１のＥＰＡＭユニット６２０と第２のＥＰＡＭユニット６３０は、スペーサ６５０を挟んで所定の距離を離して設置され、第１のＥＰＡＭ膜６２１及び第２のＥＰＡＭ膜６３１の中央に設けられた中央接合部６２６、６３６で第１のＥＰＡＭ膜６２１及び第２のＥＰＡＭ膜６３１が互いに接合されることによって、常に引き合った状態が保たれるように構成されている。さらに、中央接合部６２６、６３６には、中央固定軸６４０が垂設されている。

本振動素子は、それ単独でも使用可能であるが、さらに、この中央固定軸６４０の一端に、振動板７００を固設することによって、ＥＰＡＭ振動素子６００の効率を上げることができる。この振動板は、壁や天井・窓などのインテリアやエクステリアを利用したり、各種機器の筐体を使用することも可能である。

本発明の電場応答性高分子を用いた振動素子は、簡単な構成で、柔軟な高分子膜から構成されているため、使用に際する自由度がきわめて高く、例えば、オーディオ機器や携帯電話などの電気・電子機器用フラットスピーカとして用いたり、壁・天井・窓などを振動板とした構造物スピーカを構成したり、騒音や振動などを検出して逆位相の振動を出力することにより騒音や振動などを抑圧して車内の静粛性を向上させたり、イヤホンやヘッドホンの外部騒音の影響を低減する位相反転式消音装置や、医療用のバイブレータや、振動を検知して、逆位相で振動させることにより、振動を軽減させる振動軽減装置など、その産業上の利用可能性は、きわめて高い。

本発明のＥＰＡＭ振動素子の一実施形態の外観を示した斜視図である。 図１のII−II線で切断したときの断面図である。 本発明のＥＰＡＭ振動素子への供給信号波形の一例を示す図である。 本発明のＥＰＡＭ振動素子を使用する際のシステム概略図である。 本発明のＥＰＡＭ振動素子に適用される信号変換器の概略図である。 本発明のＥＰＡＭ振動素子の使用形態の一例を示す図である。

符号の説明

１００、６００ ・・・ ＥＰＡＭ振動素子
１２０、６２０ ・・・ 第１のＥＰＡＭユニット
１２１、６２１ ・・・ 第１のＥＰＡＭ膜
１２２、１２３、６２２、６２３ ・・・ フレーム
１２４、１３４、６２４、６３４ ・・・ 正極端子
１２５、１３５、６２５、６３５ ・・・ 負極端子
１２６、１３６、６２６、６３６ ・・・ 中央接合部
１３０、６３０ ・・・ 第２のＥＰＡＭユニット
１３１、６３１ ・・・ 第２のＥＰＡＭ膜
１３２、１３３、６３２、６３３ ・・・ フレーム
１４０、６４０ ・・・ 中央固定軸
１５０、６５０ ・・・ スペーサ
１６０ ・・・ 負極共通端子
７００ ・・・ 振動板

Claims (2)

1. オーディオ信号を振動に変換する振動素子において、
   正極端子及び負極端子を有する２枚の電場応答性高分子を有し、前記電場応答性高分子は、スペーサにより所定の距離を離して平行に設置され、前記２枚の電場応答性高分子は中央で互いに接合され、常に引き合った状態を保つとともに、前記２枚の電場応答性高分子の前記負極端子は、互いに接続され、前記正極端子は、それぞれ独立に設けられた構成を有することを特徴とする電場応答性高分子を用いた振動素子。
2. 前記２枚の電場応答性高分子の中央接合部に中央固定軸が垂設され、前記中央固定軸に振動板を接続したことを特徴とする請求項１に記載の電場応答性高分子を用いた振動素子。
   

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