(57)【要約】【課題】良好な振動特性を有しており、また、その構造及び幾何学に起因して、簡単且つ確実に種々の表面幾何学に固定することができ、更にその際に、フィルムの振動特性が大きく損なわれることがない、電気活性的な音響変換フィルムを提供する。【解決手段】音響変換フィルムの表面は、種々の勾配を備えている構造化部を有しており、音響変換フィルムの表面の勾配の符号は少なくとも２回変化する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの支持体フィルムと、少なくとも一つの第１の電極と、少なくとも一つの第２の電極と、電気活性ポリマーを有している少なくとも一つの圧電層とから成るフィルム結合体を含む、電気活性的な音響変換フィルムにおいて、
前記音響変換フィルムの表面は、種々の勾配を備えている構造化部を有しており、前記音響変換フィルムの表面の前記勾配の符号は少なくとも２回変化することを特徴とする、音響変換フィルム。
【請求項２】
前記電気活性ポリマーはＰＶＤＦを含む、請求項１に記載の音響変換フィルム。
【請求項３】
前記フィルム結合体は、弾性の異なる複数の領域を有しており、該領域の縁部は表面勾配が一定の領域に平行に延在している、請求項１又は２に記載の音響変換フィルム。
【請求項４】
前記フィルム結合体は二つ以上の電極を有しており、該電極の縁部は表面勾配が一定の領域に平行に延在している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の音響変換フィルム。
【請求項５】
前記フィルム結合体の外面に、少なくとも部分的に、付加的な保護層又はカバー層が被着されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の音響変換フィルム。
【請求項６】
構造化された音響変換フィルムを備えている、電気活性的な音響変換器を製造するための方法において、
ａ）少なくとも一つの支持体層と、少なくとも一つの第１の電極と、少なくとも一つの第２の電極と、電気活性ポリマーを有している少なくとも一つの圧電層とから、音響変換フィルムを製造するステップ、
ｂ）前記ステップａ）により製造された音響変換フィルムを機械的又は化学的に構造化するステップ、但し、前記音響変換フィルムの表面は、勾配の異なる複数の領域を有しており、且つ、前記音響変換フィルムの表面の勾配の符号は少なくとも２回変化し、
ｃ）構造化された前記音響変換フィルムをフレーム又は表面に接続するステップ、
を備えていることを特徴とする、方法。
【請求項７】
前記ステップｃ）の前に、少なくとも、構造化された前記音響変換フィルムの裏側の部分領域に、振動安定性のスペーサを取り付ける、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ステップｃ）の前に、少なくとも、構造化された前記音響変換フィルムの裏側の部分領域に、振動変動性のベッドを接触させる、請求項６又は７に記載の方法。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれか一項に記載の方法により製造される、電気活性的な音響変換器。
【請求項１０】
マイクロフォン、スピーカ、ヒューマンマシンインタフェース（ＨＭＩ）、センサとしての、マイクロ構造化された表面フィルムを備えている、請求項９に記載の電気活性的な音響変換器の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも一つの支持体フィルムと、少なくとも一つの第１の電極と、少なくとも一つの第２の電極と、電気活性ポリマーを有する少なくとも一つの圧電層とから成るフィルム結合体を含む、電気活性的な音響変換フィルムに関し、音響変換フィルムの表面は、種々の勾配を備えた構造化部を有し、音響変換フィルム表面の勾配の符号は少なくとも２回変化する。
【背景技術】
【０００２】
現行の電気力学的な音響変換器のコンセプトは、大抵の場合、中心において電磁振動コイルと接続されており、且つ、電流によって誘導されるローレンツ力又は空気流によって振動される振動板を利用している。そのような音響変換器においては、動作様式に応じて、電流が機械的な運動に変換されるか、又は、振動板の運動が電流に変換される。この構造形態によって、例えばムービングコイルスピーカ又はマイクロフォンが得られる。この構造形態は今日のところ、音の強さのレベルが高く、また自然な音調再現が行われる点で優れている。
【０００３】
しかしながら、振動板の懸架及び磁石による特別な電気力学的な結合に起因して所定の構造高さ及び振動特性が生じるが、これはいずれの構造状態及び用途にも適しているものではない。この理由からここ数十年の間に、振動板とコイルと磁石の組み合わせを基礎とせずに、音響変換のために圧電効果を利用する音響変換器も多数開発されている。それらの音響変換器は電気活性的なセラミックス又はプラスチックを有しており、また電界に応じた音響変換器の巨視的な寸法の変化による直接的な音響変換も実現する。つまり例えば、圧電性の振動板又はフィルムへの電圧の印加によって、長さ方向の寸法の変化（ｄ３１モード）及び厚さ方向の変化（ｄ３３モード）が生じる。特に、ｄ３１モードの効果によって層の曲げが生じ、この曲げを音波放射に効果的に利用することができる。それとは反対に、機械的な負荷は層内の電荷移動を生じさせ、これは一般的に音波検出に使用することができる。それらの圧電音響変換器は極僅かな変位しか必要としない。スピーカの場合には変位が典型的には数百μｍの範囲にあるが、これに対してマイクロフォンの用途の分野では変位が僅か数μｍから数ｎｍ又は数ｐｍの範囲にある。スピーカ及びマイクロフォンのいずれにおいても、変位は周波数に強く依存する。比較的高い周波数では、比較的低い周波数よりも変位が小さい。この周辺条件によって、特に他の表面までの距離が非常に短いフィルム変換器を実現することができるが、そのようなフィルム変換器は今日のところ、現行の電磁的な振動板−コイル系では利用できていない。
【０００４】
通常とは異なる変換器幾何学に関する一つの考えられる実施の形態は、例えばUS 4,638,207 Aに開示されており、この刊行物には、バルーン状のスピーカを製造するために、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を基礎とする圧電ポリマーの使用が記載されている。ここでは、外側のコーティング部と内側のコーティング部との間に埋め込まれているＰＶＤＦ条片がバルーン上に被着されるか、又はバルーン自体がその種の条片から形成される。
【０００５】
一つの別の構成に関して、特許文献１には、圧電プラスチック材料を使用した圧電音響変換器が開示されている。特に、実質的に、支持体層と、その支持体層の上に被着されている、圧電性のプラスチック支持体の層とから構成されている音響変換器が開示されており、そこでは圧電プラスチック層が支持体層を完全に覆っているのではなく、複数の凹部を有している。
【０００６】
しかしながら今日のところ、可能な限り効果的で信頼性の高い圧電変換器のコンセプトは、変換フィルムを固定する際の妥協的な処理を必要としている。変換フィルムを例えば接着によって表面全体に直接的に固定することによって、変換器の固定はより信頼性の高いものとなるが、しかしながらその結果、変位が大きく妨害され、これが変換器の効率に悪影響を及ぼす。この理由から、可能な限り妨害のない振動特性を達成するために、結合体としての電気活性的なフィルムがフレキシブルな支持体フィルム上に配置され、またその結合体の縁部が機械的に保持される。このことは、結合体が十分に機械的に固定されており、従って安定させられているにもかかわらず、自由に振動することもできる構造を実現する。これによって、好適な放射特性又は受信特性が得られるが、しかしながら全体としては、固定されていない個所における変換器の機械的な負荷耐力は低下するので、その限りにおいてこの構造は不利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】DE 10 2010 043 108 A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って本発明の課題は、良好な振動特性を有しており、また、その構造及び幾何学に起因して、簡単且つ確実に種々の表面幾何学に固定することができ、更にその際に、フィルムの振動特性が大きく損なわれることがない、電気活性的な音響変換フィルムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
少なくとも一つの支持体フィルムと、少なくとも一つの第１の電極と、少なくとも一つの第２の電極と、電気活性ポリマーを有する少なくとも一つの圧電層とから成るフィルム結合体を含む、電気活性的な音響変換フィルムは、音響変換フィルムの表面が、種々の勾配を備えた構造化部を有し、音響変換フィルム表面の勾配の符号が少なくとも２回変化することを特徴としており、従来技術による平坦であるか又はアーチ状の部分を一つしか有していない電気活性的な音響変換器表面に比べて、放射特性が改善されており、且つ、効率が高くなっていることを発見した。理論に縛られることなく、フィルム表面の構造化によって変換器特性を改善することができ、この構造化は単位面積当たりのフィルムのより大きい総面積ももたらす。このことは、単純に平坦に形成されているか、又はアーチ状の部分を一つだけ有するように形成されている従来のフィルム表面に比べて有利である。更には表面の構造化によって、フィルムの力学的な特性を改善することができる。何故ならば、変換器の種々の部分領域の不所望な相互作用が生じることなく、フィルムの機械的な寸法変化を、例えば印加される電界に応じて、種々の表面勾配によって立体的により良好に生じさせることができるからである。この特性の改善は、特に、変換器表面が種々の勾配を備えた複数の領域を有しており、表面勾配の符号が何回も変化することを基礎としている。表面の種々の勾配は、歪み／変位時にその都度異なる機械的な負荷プロフィールを生じさせることができ、その結果、そのように構造化されている表面の負荷ピークもより良好に補償することができる。
【００１０】
本発明による電気活性的な音響変換フィルムは、圧電特性を備えている少なくとも一つのフィルム層と、少なくとも二つの電極と、一つの支持体フィルムとから成るフィルム結合体である。好適には、一つの支持体フィルムが一番下に位置し、少なくとも二つの電極が、電気活性的なフィルムの両面の各面に設けられることによって、それらの電極間に電気活性的な圧電層が介在している構造が得られる。しかしながら、結合体は複数の支持体フィルム及び／又は複数の電極を有することもできる。特に、個々の層がフィルム結合体において面全体に存在していなくても良い。このことは、フィルム結合体の個々の領域が、個々の層における欠落部も有することができることを意味している。フィルム結合体は１０μｍ以上且つ５０００μｍ以下、有利には少なくとも３０μｍ以上且つ２５００μｍ以下、更に有利には５０μｍ以上且つ１５００μｍ以下の厚さを有することができる。結合体の厚さが比較的薄いと、結合体の機械的な剛性をもはや維持できなくなる可能性があるので有利ではない。これに対して層厚が比較的厚いと、過度に高い剛性及び過度に大きい質量が生じかねず、このことは例えば録音（マイクロフォン）の用途において不利となる可能性がある。個々の層の厚さを、材料及び用途目的に応じて変更することができる。
【００１１】
支持体フィルムは有利には、比重が小さく且つ剛性の高い材料から形成することができる。つまり、支持体フィルムとして例えば薄い紙層又はＰＥＴフィルムを使用することができる。この支持体フィルムは１０μｍ以上且つ２０００μｍ以下、有利には３０μｍ以上且つ１０００μｍ以下、更に有利には５０μｍ以上且つ５００μｍ以下の厚さを有することができる。比較的薄い層厚は結合体全体の機械的な安定性にとって不利となる可能性がある。比較的厚い層厚は力学的に不活性な過度に大きい質量を生じさせる可能性があり、またそれによって、結合体の感度が低下させる恐れがある。
【００１２】
電極を金属層又は他の導電性材料から形成することができる。金属化層には、当業者には公知の金属、例えばアルミニウム、銅、銀、金等が使用される。考えられる導電性材料として例えばＰｅｄｏｔ：ＰＳＳ（ポリ−３，４−エチレンジオキシチオフェン：ポリスチレンスルホン酸塩）のような導電性プラスチックが挙げられる。電極を有利には、電気活性ポリマーを有している圧電層の両面に配置することができる。その場合、二つの電極層を面全体にわたり設けることができるか、又は部分的にのみ設けることができる。このことは、一方又は両方の電極面が変換器面全体を覆っているか、又は、一方又は両方の電極が変換器面の一部の領域のみを覆っていることを意味している。特に、電極の内の一方は複数の欠落部を有することができるので、その場合には、電極の途切れのない一貫した電気的なコンタクトは存在しない。更に個々の電極に一つ又は複数の給電線を設けることができる。
【００１３】
電気活性ポリマーを有している圧電層は電気活性ポリマーを含むことができるか、電気活性ポリマーから形成することができる。この層は電圧の印加時に変形することができ、また機械的な変形の発生時に層内に電圧が誘導されることを特徴としている。また複数の圧電層を上下に重ねて設けることも可能である。その場合、電気活性ポリマーを有している圧電層を一つだけ設けることができるか、有利には個々の圧電層を１〜５層、更に有利には１〜１０層設けることができる。層結合体を、例えば個々の層を連続的に設けることによって得ることができ、また層移行部における断続個所を特徴とする。これは一般的な光学的な方法によって、例えば顕微鏡を用いて確認することができる。電気活性ポリマーとして、原則として、シリコーンエラストマー、アクリルエラストマー、ポリウレタン、熱可塑性材料、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）を有するコポリマー、圧感性接着剤、フッ化エラストマー、及び、シリコーン又はアクリルのグループを有するポリマーを使用することができる。電気活性ポリマーを有する圧電層は更に、別の添加物、例えば可塑剤、高分子オイル、酸化防止剤、粘性調節剤、及び／又は、誘電定数の高い付加的な誘電性粒子を有することができる。圧電層は１μｍ以上且つ１０００μｍ以下、有利には２μｍ以上且つ５００μｍ以下、更に有利には５μｍ以上且つ２５０μｍ以下の厚さを有することができる。
【００１４】
フィルム結合体は構造化部を有しているので、表面領域には種々の勾配が生じる。表面領域の勾配は数学的な意味で生じており、従って、表面は長さ及び高さの異なる複数の領域を有している。有利には、表面が対称的に構造化されており、一つの表面断面として見た場合、少なくとも一つの対称面を有しているか、若しくは特に有利には、相互に垂直な二つの対称面を有している。種々の勾配は、フィルム結合体の表面の断面から見て取ることができる。ここで、表面の勾配はその表面の最も外側の層の接線の勾配である。勾配を決定することができない表面の途切れた個所は勾配の決定時に考慮されない。本発明によれば、表面には、勾配の符号が２回以上変化する構造化部が設けられている。従来のフィルム式音響変換器の表面は、用途の範囲内で、外側のフレームに平坦に固定されているか、又はプレストレスが与えられた状態で外側フレームに固定されている。その結果、前者の場合（直線状に張架されている場合）には表面勾配は変換器表面にわたり変化せず、従って一定である（図１ａを参照されたい）。変換器表面が湾曲された状態で張架されている場合には、フィルムの湾曲によって勾配に変化が生じているが（図１ｂを参照されたい）、もっともそのような勾配は本発明とは異なるものであって、表面勾配の符号は１回しか変化していない。勾配の符号変化の回数は、好適には、フィルム表面を断面で考察して、面の一方の縁部に基準点を置くことによって決定することができる。勾配の符号は、正の勾配（表面の上昇）が負の勾配（表面の下降）に移行した際、又は負の勾配が正の勾配に移行した際に変化する。音響変換フィルムの表面には、直線状であって上昇も下降もしない部分領域も存在しているが、それらの領域は考慮されない。
【００１５】
構造化された変換器表面を、用途固有に、種々の固い対象物、例えば、構成部材のケーシング、ガラス板、壁、又は葉書等のような比較的小さい対象物にも被着させることができるか、又は取り付けることができる。
【００１６】
以下では、別の態様及び実施の形態を参照しながら本発明を詳細に説明する。その組み合わせによって明らかな矛盾が生じない限りは、それらの態様及び実施の形態を相互に任意に組み合わせることができる。
【００１７】
一つの有利な実施の形態においては、音響変換フィルムは電気活性ポリマーとしてＰＶＤＦを含むことができる。このＰＶＤＦはまさに圧電層における電気活性ポリマーとして、殊に適していることが分かった。特に、圧電層はＰＶＤＦを含むことができるか、又は圧電層をＰＶＤＦから形成することができる。この材料は良好な圧電特性を示すので、比較的弱い電圧でも十分に高い機械的な変位を達成することができる。このことは勿論、音波を電流に変換する際にも有効である。更に、ＰＶＤＦ層は十分に高い機械的な負荷耐力を示すので、材料の強度が比較的低くても機械的に十分安定した結合体を得ることができる。この材料は更に、機械的又は化学的な構造の枠内で破損することなく種々の形状に変形できるように十分な可撓性を有している。電気活性ポリマーとしてＰＶＤＦを有する圧電層は、変換器表面当り、２０回以上の勾配の符号変化、有利には５０回以上の勾配の符号変化、更に有利には１００回以上の勾配の符号変化を有することができる。まさにこのような多くの回数の符号変化はより大きい表面に寄与することができ、また構造化された表面の改善された振動ダイナミクスにも寄与することができる。
【００１８】
本発明の一つの別の態様においては、フィルム結合体が種々の弾性を備えている領域を有することができ、それらの領域の縁部は表面の勾配が一定の領域に平行に延在している。音響変換フィルム結合体は、結合体の種々の平坦な領域において材料が種々の弾性又は剛性を有するように構成することができる。それらの領域は好適には、勾配の符号が変化する表面の個所に平行に、フィルム結合体の弾性の変化が生じるように配向されている。特に、フィルム結合体のそれらの領域の弾性変化が、一定の表面勾配の直線部分に対して２０°又は４５°又は９０°より大きい角度、且つ１８０°よりも小さい角度で、生じる場合には不利である。フィルム結合体の弾性のそのような変化によって、例えば、勾配に応じて種々に変位できる種々の表面領域を実現することができる。そのようにして、本発明による変換フィルムの共振特性を制御することができる。結合体の種々の弾性は、弾性の異なる複数の部分層（例えば支持体層）を使用することによって達成することができる。しかしながら、フィルム結合体において例えば深絞り加工による機械的な構造化によって、その深絞り加工された領域内に別の弾性を与えることも可能である。しかしながら部分領域に、それらの領域における比較的低い弾性に寄与する別の層を設けることも可能である。同様の効果をフィルム結合体の部分的な化学的又は熱的な処理とそれに続く機械的な型押し加工によって達成することもできる。弾性領域と表面の勾配の関係に関する別の例は図面に示されている。
【００１９】
付加的な特徴として、フィルム結合体は、表面勾配が一定の領域に平行に延在している電極縁部を有している電極を二つ以上有することができる。表面勾配が一定の領域に平行に延在する電極縁部を有している複数の電極を備えているその特別な構造によって、フィルムの種々の領域を個別に制御し、変位させることができる。またこの配置構成によって、勾配が一定の複数の領域の機械的な変位を個別に検出することもできる。これによって、表面の部分領域の機械的な変位の選択性も、フィルム結合体全体の振動特性も個別に制御することができる。従ってフィルム結合体は、従来のフィルム結合体では達成することができない調整を実現することができる。有利には、電極の縁部境界部を、表面勾配が一定の領域に平行に延在させるだけでなく、フィルムの必要に応じて設けられている対称平面にも平行に延在させることができる。このことは、音響変換フィルムの非常に均一な音波放出に寄与することができる。
【００２０】
一つの付加的な構成においては、フィルム結合体の外面に少なくとも部分的に付加的な保護層又はカバー層を設けることができる。フィルム結合体の機械的な剛性を高めるため、ＵＶ放射からの保護のため、電気的な接触保護部として、又は、湿気若しくは埃からの最も外側の変換器層の保護部として、別の層をフィルム結合体に設けることができる。この層は有利には圧電的に活性ではなく、また当業者には公知の方法によって事後的に設けることができるか、又は製造の枠内でフィルム結合体に接続させることができる。この層の適切な材料は化学的に不活性なポリマー、例えばポリ−ｐ−キシリレン（パリレン）又は他のポリマー、例えばテフロンである。これによってフィルム結合体の寿命を延ばすことができ、また信頼性を高めることができる。保護層は好適には０．０１μｍ以上且つ３０μｍ以下、有利には０．１μｍ以上且つ１５μｍ以下、更に有利には０．５μｍ以上且つ１０μｍ以下の層厚を有することができる。
【００２１】
更に本発明によれば、構造化された音響変換フィルムを備えている、電気活性的な音響変換器の製造方法が以下の特徴を備えている：
ａ）音響変換フィルムが、少なくとも一つの支持体層と、少なくとも一つの第１の電極と、少なくとも一つの第２の電極と、電気活性ポリマーを有している少なくとも一つの圧電層とから製造される、
ｂ）ステップａ）により製造された音響変換フィルムが機械的又は化学的に構造化され、音響変換フィルムの表面は、勾配の異なる複数の領域を有しており、且つ、音響変換フィルムの表面の勾配の符号は少なくとも２回変化する、
ｃ）構造化された音響変換フィルムはフレーム又は表面と接続される。驚くべきことに、この方法によって、放射特性及び／又は検出特性が改善された音響変換器が得られることが分かった。このことは、理論に縛られることなく、拡大された音響変換器表面及びその特徴的な構造化によって達成することができる。特に、フィルム表面の種々の勾配によって、従来の構造化されていない表面に比べて、個々の表面区間のより良好な変位を実現できると考えられる。これは、より高い音圧及び変換器の周波数のより良好な周波数通過帯域幅に寄与することができる。結合体は、ステップａ）において、従来技術では一般的な方式によって、個々の構成要素から形成することができる。これは例えば、既に完成している個別フィルムを事後的なラミネーションによって一つにすることによって行われるか、又は湿式の方式で印刷、コーティング等によって行われる。当業者には、フィルム結合体を形成するための一般的な処理技術は公知である。
【００２２】
ステップｂ）においては、音響変換フィルムを、物理的又は化学的なプロセスによって、勾配の異なる複数の領域が生じるように構造化することができる。機械的なステップは、例えば、部分的なフィルム結合体の伸長及び圧縮、深彫り加工、ホットプレス、コールドプレスを含み、それにより、種々の勾配を有するフィルム表面の永続的な変形が達成される。更に有利には、構造化部を対称的に設けることができる。このことは、構造化部が任意に設けられるのではなく、ほぼ一定の距離で所定の間隔で設けられることを意味している。これによって、特に効果的に構造化された音響変換フィルムを得ることができる。更に、機械的な構造化方法は、部分的な加熱、超音波処理又は（例えばレーザによる）部分的な除去を含む。構造化のための化学的な方式は、例えば酸又はアルカリ液を用いる部分的なエッチング、別の物質の部分的な堆積並びに部分的な隆起を含む。これらの物理的又は化学的な構造化方式は全て、これらの方式によって音響変換フィルムの個々の領域の高さプロフィールの永続的な変化が得られるという点で共通している。高さプロフィールのこのような変化によって、変換フィルムの種々の勾配が得られ、本発明によれば、この勾配の符号が少なくとも２回変化する。
【００２３】
続くステップｃ）においては、構造化された変換フィルムがフレームに接続される。この接続を純粋に機械的に挟み込みによって行うことができるが、しかしながら接着によって材料同士を結合させることによっても行うことができる。構造化された変換フィルムを平坦にフレームに嵌め込むことも、プレストレスが与えられた状態で嵌め込むこともできる。
【００２４】
本発明の特に有利な実施の形態においては、ステップｃ）の前に、少なくとも、構造化された音響変換フィルムの裏側の部分領域に、振動安定性のスペーサを取り付けることができる。振動安定性のスペーサはフィルム結合体にも構成部材にも接触している。構造化された変換器表面の変換器特性に起因して、フィルム結合体の部分領域もその裏側において、機械的に硬いスペーサによって支持することができるが、それによって変換器全体の効率が大きく損なわれることはない。理論に縛られることなく、効率の極僅かな低下は種々の勾配領域を有する表面の構造化に基づく。機械的に硬いスペーサは可能な限り振動機械的に硬いコンポーネントを形成する。これによって有利には、音響変換フィルムが支持なく自由に振動することができる区間が低減されるので、変換フィルム全体の比較的高い機械的な剛性を生じさせることができる。構造化された音響変換フィルムを、単に自由にスペーサの上に載置することができるか、又は、永続的且つ機械的にスペーサと接続することができる。これは例えば接着又は溶接によって行なうことができる。音響変換フィルム毎に、フィルム結合体の裏側に振動安定性のスペーサを一つだけ設けることも、複数設けることも可能である。一つの特別な実施の形態においては、複数の振動安定性のスペーサを導入することによって、変換器表面全体を、相互に対称的な面積比にある複数の部分面に分割することができる。これによって、音響変換フィルム全体を、固有周波数の異なる複数の領域に分割することができる。このことは、大きく異なる周波数において変換器の放射特性の均等化に寄与することができる。更に有利には、音響変換フィルムを振動安定性のスペーサによって機械的に支持することによって、フィルム自体の剛性を低減させることができ、これは、比較的高い感度、また総じてより良好な音響変換に寄与することができる。本発明の振動安定性のスペーサは、比較的大きい弾性率を有している材料又は材料の組み合わせが使用される点で優れている。有利には、それらの振動安定性のスペーサは、５０００Ｎ／ｍｍ2以上、有利には１００００Ｎ／ｍｍ2以上、更に有利には３００００Ｎ／ｍｍ2以上の弾性率を有することができる。材料の弾性率は文献に表記されたものから得ることができるか、又は、流動学的な測定（例えばプレート／プレートレオメータを用いて、又は試料の振動機械的な測定によって）決定することができる。この弾性率は、構造化された音響変換器表面の、十分に振動安定性のある固定に非常に適していることが分かった。
【００２５】
振動安定性のスペーサを種々の材料から形成することができる。金属、木材、プラスチック又は種々の接着剤も考えられる。ここでは例えば、エポキシベースの二液型接着剤、熱硬化性接着剤又はＵＶ硬化性接着剤が使用される。振動安定性のスペーサは純粋に機械的に、音響変換フィルムを対象物の表面に被着させる前に載せることができるか、又は、プリント方式によって（例えばシルクスクリーン印刷又はフレキソ印刷）又はラミネーションステップによって被着させることができる。典型的には、振動安定性のスペーサは５μｍ以上且つ５ｃｍ以下、有利には５μｍ以上且つ２ｃｍ以下、更に有利には１０μｍ以上且つ１ｃｍ以下の幅を有することができる。
【００２６】
本発明の一つの別の態様においては、ステップｃ）の前に、少なくとも、構造化された音響変換フィルムの裏側の部分領域に、振動変動性のベッドを接触させることができる。音響変換フィルムをこのように構造化することによって、結合体の裏側に、変換器特性が大幅に損なわれることなく、振動変動性のベッドによって支持することができる顕著な支持点を生じさせることができる。振動変動性のベッドは、フィルム結合体が設けられている構成部材と接触しており、また、少なくとも部分領域において、フィルム結合体にも接触している。これによって、音響変換フィルムを機械的に容易に構成することができ、これによって有利には、結合体全体の振動特性を改善することができる。構造化された変換器表面の機械的な剛性をこれによって改善することができ、これは更に製品の寿命の長期化に寄与することができる。振動変動性のベッドは、音響変換フィルムと少なくとも部分的に接触している、その音響変換フィルムの裏側の金属で充填された領域である。従ってこの領域は静力学的に、硬いベース部と音響変換フィルムとの間の接続を生じさせる。変換器の重要な周波数範囲においては、この材料は弾性であり、且つそれによって変換器表面の運動を僅かものに抑える。変換器の共振特性に及ぼされる振動機械的な作用を、フィルム結合体の設計、材料選択及び厚さにおいて考慮することができる。
【００２７】
振動変動性のベッドは変換器の裏側を部分的に充填することができるか、又は裏側全体を充填することができ、また１μｍ以上且つ２０００μｍ以下、有利には１μｍ以上且つ１５００μｍ以下、更に有利には２μｍ以上且つ１０００μｍ以下の厚さを有することができる。振動変動性のベッドを形成するために適している材料は、シリコーンエラストマー又はシリコーンゴム、二液型シリコーン、例えばＦｅｒｍａｓｉｌ（Ｓｏｎｄｅｒｈｏｆｆ社）、接着剤で接続された弾性体又は中空体、プラスチック中実球又はガラス中実球、若しくはそれに類似する材料である。更に、振動変動性のベッド内に、小さい空気含有部が存在することも考えられるか、又は、そのような小さい空気含有部を設けることができ、これは有利には変換器の裏側空間の圧縮率を高めることができる。この変換のヴァリエーションは殊に有利には、積層体を所定の静止位置にとどめるが、しかしながら、所望の周波数範囲においては音響変換器が動的な振動に抵抗して僅かな抵抗を示す（即ち、大きい可塑性を有する）、振動変動性のベッドの特性に関する。ここで本発明において振動変動性とは、材料又は材料組成が、面に関連する力学的な可塑性が大きいことを意味している。この特性は、振動変動性の材料に関して５０００Ｎ／ｍｍ2以下、有利には１０００Ｎ／ｍｍ2以下、更に有利には５００Ｎ／ｍｍ2以下である弾性率でもって達成される。材料の弾性率は文献に表記されたものから得ることができるか、流動学的な測定（例えばプレート／プレートレオメータを用いて、又は試料の振動機械的な測定によって）決定することができる。材料の弾性率は、ここで考察する、音響変換器の適用可能な２０Ｈｚ以上から１５０ｋＨｚ以下まで、有利には１００Ｈｚ以上から１００ｋＨｚ以下までの周波数範囲に該当する。
【００２８】
本発明の一つの有利な実施の形態においては、変換フィルムの裏側の空間を、振動変動性のベッドによっても、振動安定性のスペーサによっても支持することができる。振動変動性のコンポーネントと振動安定性のコンポーネントとから成るこの組み合わせは、構造化された音響変換フィルムの非常に良好な機械的な支持に寄与することができる。
【００２９】
更に本発明によれば、電気活性的な音響変換器を本発明による方法でもって製造することができる。本発明の方法により製造されている音響変換器は、構造化された変換器表面によって、改善された変換器特性、例えば感度及び音圧を示すことができる。
【００３０】
マイクロ構造化された表面フィルムを備えている本発明による電気活性的な音響変換器をマイクロフォン、スピーカ、ヒューマンマシンインタフェース（ＨＭＩ）、センサとして使用することができる。改善された変換器特性は、特に、限定的な表面しか使用できない、及び／又は、高い効率が達成されるべきである、上述の分野における使用に殊に適している。
【００３１】
また前述の電気活性的な音響変換器の更なる利点及び特徴に関して、本発明による電気活性的な音響変換フィルム並びに本発明による方法と関連させた説明を明示的に参照する。更に、本発明による電気活性的な音響変換フィルムの本発明による特徴及び利点は、本発明による方法及び本発明による音響変換器に対しても適用することができ、また開示されているものとみなすことができる。これは逆についても当てはまる。明細書及び／又は特許請求の範囲に開示されている特徴の内の少なくとも二つからなる組み合わせも全て本発明に含まれる。
【００３２】
以下では、添付の図面に基づき本発明を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１ａ】直線状の音響変換フィルム結合体を備えている、従来の音響変換器構造の概略的な断面図を示す。
【図１ｂ】湾曲している音響変換フィルム結合体を備えている、従来の音響変換器構造の断面図を示す。
【図２】構造化された音響変換器表面の概略的な断面図を示す。
【図３】構造化された音響変換フィルムの構成の種々の例の概略的な断面図を示す。
【図４】支持体層を備えておらず、圧電層及び複数の電極を有している、構造化された音響変換器表面の概略的な断面図を示す。
【図５】振動安定性のスペーサ及び振動変動性のベッドの上に、構造化された表面を備えている音響変換フィルムを有している音響変換器の概略的な断面図を示す。
【図６】振動変動性のベッド及び振動安定性のスペーサから成る変換器ベース部の概略的な平面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１ａには、変換器の背面側にある構造素子表面２、並びに、支持体層４と、その支持体層４の上に設けられている、圧電層及び二つの電極層から成る結合体５とを有している音響変換フィルム結合体の両側にある二つのフレーム又は保持部３を備えている、従来の音響変換器構造１の概略的な断面図が示されている。音響変換フィルムの表面は構造化されておらず、フィルムは保持部３の間に真っ直ぐ張架されている。これにより、音響変換フィルムの一定の表面勾配が得られる。
【００３５】
図１ｂには、支持体層４と、その支持体層４の上に設けられている、圧電層及び二つの電極層から成る結合体５とから形成されている音波変換フィルム結合体を備えている、従来の音響変換器構造の概略的な断面図が示されている。音響変換フィルムの表面は構造化されていない。結合体は保持部３の間に湾曲して張架されている。これにより先ず、（右から左に向かって）音響変換フィルム表面の正の勾配が生じ、続いて、最高点を過ぎると、音響変換フィルム表面の負の勾配が生じる。音響変換フィルム表面の勾配を表す符号は１回しか変化せず、従ってこの符号変化の回数は本発明によるものではない。
【００３６】
図２には、構造化された音響変換器表面の概略的な断面図が示されている。左から右に向かって順に、正の勾配、最高点、負の勾配、最低点、そして再び正の勾配が表されている。つまり表面勾配はその符号が２回変化している。従ってこの部分領域には、本発明に従い構造化された表面が存在している。
【００３７】
図３ａ−ｅには、構造化された音響変換フィルムの種々の構成の断面図が示されており、それらの構成においては音響変換フィルムの表面勾配の符号は２回以上変化している。特にそれらの図面には、一連の個別エレメントを繰り返し有しており、従って対称的に構成されている有利な実施の形態が示されている。しかしながらまた、周期的には構造化されていない表面又は、図示されている表面の混合形態も考えられる。
【００３８】
図４には、支持体層４を備えていない、構造化された音響変換器表面８の断面図が示されている。圧電層９と、その圧電層９の全面にわたっては延在していない複数の電極、例えば電極１０，１１とが示されている。それらの電極の個々の縁部は、（この断面図においては図示していない）一定の表面勾配を有している領域に平行に延在している。特に本発明においても、圧電層の上面／下面における個々の電極の極性は一定ではなく、可変である。そのようにして、電気活性ポリマーを有している圧電層の異なる表面領域に、同一の時間単位で異なる極性を与えることができる。
【００３９】
図５には、構造化された表面５を備えている音響変換フィルムを有している音響変換器の断面図が示されている。音響変換器は硬質のボディ２の上に配置されており、且つ、振動安定性のスペーサ７及び振動変動性のベッド６によって固定される。本発明では、音響変換フィルムが振動安定性のスペーサ７のみによって、又は、振動変動性のベッド６のみによって固定される状況も考えられる。後者の場合には、振動変動性のベッド６が、硬質のボディ２から音響変換フィルムまでの背面空間全体を占めることができる。しかしながら本発明によれば、振動変動性のベッド６が、構造化された表面５を備えている音響変換フィルムの部分領域とだけ接触している構造も考えられる。その場合には、構造化された表面５を備えている音響変換フィルムが別の純粋に機械的な支持体フィルムを含むこともでき、また音響変換フィルムに支持体フィルムを設けずに構成することもできる。
【００４０】
図６には、振動変動性のベッド６及び振動安定性のスペーサ７から成る変換器ベース部が概略的な平面図で示されている。構造化された音響変換フィルムは、この概略的な平面図においては図示していない。振動安定性のスペーサ７の配置構成によって、異なる面積を有することができ、従って異なる共振特性も有することができる複数の変換器部分領域を種々に成形することができる。つまりベース部の選択によって、音響変換器を所望の各適用分野に合わせて調整することができる。本発明によれば、振動変動性のベッド６は設けられておらず、振動安定性のスペーサ７のみが設けられている実施の形態も考えられる。
【図１ａ】
2015104134.tif 000003
【図１ｂ】
2015104134.tif 000004
【図２】
2015104134.tif 000005
【図３】
2015104134.tif 000006
【図４】
2015104134.tif 000007
【図５】
2015104134.tif 000008
【図６】
2015104134.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成26年12月4日(2014.12.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの支持体フィルムと、少なくとも一つの第１の電極と、少なくとも一つの第２の電極と、電気活性ポリマーを有している少なくとも一つの圧電層とから成るフィルム結合体を含む、電気活性的な音響変換フィルムにおいて、
前記音響変換フィルムの表面は、異なる複数の勾配を備えている構造化部を有しており、前記音響変換フィルムの表面の前記勾配の符号は少なくとも２回変化することを特徴とする、音響変換フィルム。
【請求項２】
前記電気活性ポリマーはＰＶＤＦを含む、請求項１に記載の音響変換フィルム。
【請求項３】
前記フィルム結合体は、弾性の異なる複数の領域を有しており、該領域の縁部は表面勾配が一定の領域に平行に延在している、請求項１又は２に記載の音響変換フィルム。
【請求項４】
前記フィルム結合体は二つ以上の電極を有しており、該電極の縁部は表面勾配が一定の領域に平行に延在している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の音響変換フィルム。
【請求項５】
前記フィルム結合体の外面に、少なくとも部分的に、付加的な保護層又はカバー層が被着されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の音響変換フィルム。
【請求項６】
構造化された音響変換フィルムを備えている、電気活性的な音響変換器を製造するための方法において、
ａ）少なくとも一つの支持体層と、少なくとも一つの第１の電極と、少なくとも一つの第２の電極と、電気活性ポリマーを有している少なくとも一つの圧電層とから、音響変換フィルムを製造するステップ、
ｂ）前記ステップａ）により製造された音響変換フィルムを機械的又は化学的に構造化するステップ、但し、前記音響変換フィルムの表面は、勾配の異なる複数の領域を有しており、且つ、前記音響変換フィルムの表面の勾配の符号は少なくとも２回変化し、
ｃ）構造化された前記音響変換フィルムをフレーム又は表面に接続するステップ、
を備えていることを特徴とする、方法。
【請求項７】
前記ステップｃ）の前に、少なくとも、構造化された前記音響変換フィルムの裏側の部分領域に、振動安定性のスペーサを取り付ける、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ステップｃ）の前に、少なくとも、構造化された前記音響変換フィルムの裏側の部分領域に、振動変動性のベッドを接触させる、請求項６又は７に記載の方法。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれか一項に記載の方法により製造される、電気活性的な音響変換器。
【請求項１０】
マイクロ構造化された表面フィルムを備えている、請求項９に記載の電気活性的な音響変換器。
【請求項１１】
マイクロフォン、スピーカ、ヒューマンマシンインタフェース（ＨＭＩ）又はセンサのいずれかである、請求項１０に記載の電気活性的な音響変換器。