(57)【要約】【課題】【解決手段】電気活性ポリマモジュールを備えた感覚強化オーディオ装置が開示されている。電気活性ポリマモジュールは、例えば、ヘッドホンのイヤーカップ内に配置されてよい。モジュールは、第１および第２の電極の間に配置された少なくとも１つのエラストマ誘電体素子を有する電気活性ポリマアクチュエータアレイを備える。トレイが、電気活性ポリマアクチュエータアレイとアクチュエータアレイに結合された質量体とを受け入れるよう構成されてよい。回路が、電気活性ポリマアクチュエータアレイに電気的に接続される。回路は、駆動信号を生成して、電気活性ポリマアクチュエータアレイを駆動信号に従って動作させるための回路である。駆動信号は、約２Ｈｚから約２００Ｈｚまでの周波数範囲にあることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
感覚強化オーディオ装置であって、
約１０未満の機械的品質係数を有するアクチュエータシステムと、
前記アクチュエータシステムに電気的に接続された回路と
を備え、
前記回路は、駆動信号を生成して、前記駆動信号に従って前記アクチュエータシステムを動作させる感覚強化オーディオ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の感覚強化オーディオ装置であって、前記アクチュエータシステムは、約１．５から約３までの機械的品質係数を有する感覚強化オーディ装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の感覚強化オーディオ装置であって、前記アクチュエータシステムは、約５０から約１００Ｈｚまでの共振周波数を有する感覚強化オーディ装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の感覚強化オーディオ装置であって、前記アクチュエータシステムは、第１および第２の電極の間に配置された少なくとも１つのエラストマ誘電体素子を備えた電気活性ポリマアクチュエータアレイを備える感覚強化オーディオ装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の感覚強化オーディオ装置であって、前記駆動信号は、オーディオ信号から導出される感覚強化オーディオ装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の感覚強化オーディオ装置であって、さらに、音響放射体と、前記アクチュエータシステムの動作を前記音響放射体の軸と直交する方向に実質的に制限するための手段とを備える感覚強化オーディオ装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の感覚強化オーディオ装置であって、前記回路によって生成された前記駆動信号は、約２Ｈｚから約２００Ｈｚまでの周波数範囲にある感覚強化オーディオ装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の感覚強化オーディオ装置であって、さらに、前記アクチュエータシステムを収容するよう構成されたトレイを備える感覚強化オーディオ装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の感覚強化オーディオ装置であって、さらに、前記アクチュエータシステムに結合された質量体を備える感覚強化オーディオ装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の感覚強化オーディオ装置であって、前記トレイは、少なくとも１つの開口部を備える感覚強化オーディオ装置。
【請求項１１】
請求項８に記載の感覚強化オーディオ装置であって、さらに、前記トレイに取り付けられた音響空洞を備える感覚強化オーディオ装置。
【請求項１２】
請求項８に記載の感覚強化オーディオ装置であって、前記トレイは、変位を単一の方向に実質的に制限することによって望ましくない振動モードを最小化するためのサスペンションシステムを備える感覚強化オーディオ装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の感覚強化オーディオ装置であって、前記サスペンションシステムは、
前記質量体および前記アクチュエータシステムを中に収容するための開口部を規定するサスペンショントレイと、
前記サスペンショントレイ内に形成された少なくとも１つの屈曲アームと
を備え、
前記アクチュエータシステムは、第１および第２の軸によって規定される振動面を規定し、主に前記第１の軸に沿った一方向の動作を許容する感覚強化オーディオ装置。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の感覚強化オーディオ装置であって、さらに、前記駆動信号から望ましくない音響アーティファクトを除去するための非線形逆変換を算出する逆多項式回路を備える感覚強化オーディオ装置。
【請求項１５】
請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載の感覚強化オーディオ装置であって、前記オーディオ装置はヘッドホンである感覚強化オーディオ装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載のヘッドホンであって、前記アクチュエータシステムを備えた少なくとも１つのイヤーカップを備えるヘッドホン。
【請求項１７】
請求項１から請求項１５のいずれか一項に記載の感覚強化オーディオ装置であって、前記アクチュエータシステムの動作によって作り出された効果の強度が、前記オーディオ信号の強度とは独立して制御される感覚強化オーディオ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下、２０１１年６月１６日出願の米国仮特許出願第６１／４９７，５５６号「ELECTRO-MECHANICAL SYSTEM FOR SIMULATING LOW FREQUENCY AUDIO SENSATIONS」および２０１１年１１月２９日出願の第６１／５６４，４３７号「ACOUSTIC NOISE REDUCTION TECHNIQUES FOR TACTILE HEADPHONE ACTUATORS」の優先権を主張し、これらの仮出願の各々の開示全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００２】
様々な実施形態において、本開示は、一般に、低周波音響感覚をシミュレートするための電気機械システムに関する。より具体的には、本開示は、電気活性ポリマアクチュエータまたは変換器を備えたオーディオ装置に関する。特に、本開示は、電気活性ポリマアクチュエータと、機械的および電気的な音響ノイズ低減モジュールとを備えたヘッドホンに関する。
【背景技術】
【０００３】
従来の音響ヘッドホンは、ヘッドバンドによって連結された一対のイヤーカップを備える。イヤーカップは、イヤーカップのハウジング部分の中に取り付けられユーザの耳の近くに保持されるラウドスピーカを備える。ヘッドホンは、オーディオアンプ、ラジオ、ＣＤプレーヤ、携帯型メディアプレーヤ、コンピュータ、タブレット、携帯型デバイス、または、ゲーム機などのオーディオ信号源にラウドスピーカを接続するための電線を備える。一部のタイプの従来のヘッドホンは、オーディオ信号源から受信した音響信号の信号調整および処理のための電子回路も備える。ヘッドバンドを備えず、ユーザの耳に直接入れるよう特に設計されたオーディオヘッドホンのタイプは、イヤホンまたは口語でイヤーバドとしても知られている。
【０００４】
従来のオーディオ信号は、約２０Ｈｚから約２０ｋＨｚの範囲の音響周波数成分を含む。ほとんどの音響再生システム（ホームオーディオ、ヘッドホン、イヤーバド、電話、スピーカ）は、可聴周波数範囲全体を効果的にカバーすることができず、通例、低周波数（約２００Ｈｚ未満）の性能が悪い。したがって、大型の音響放射体が、低周波数のオーディオ信号を正確に再生するために用いられる。通例、これらの装置は、物理的に大きく、かなりの量の電力を消費する。音響放射体の一例は、ホームシアターシステムで用いられるサブウーファーキャビネットである。低周波数オーディオコンテンツを比較的小型の音響再生装置（ヘッドホンなど）に実装するのは困難である。そのための方法のいくつかは、基本的にユーザの耳の周囲で空気を密閉して、直接的に結合した空気圧波を用いることを必要とする。この方法は有効だが、適度な音響レベルでも不快な圧力をかける。より高い音響レベルでは、危険な場合もあり、短期または長期の聴力低下を引き起こしうる。
【０００５】
骨伝導は、頭蓋骨の骨を通して内耳に音を伝導することである（http://en.wikipedia.org/wiki/Bone_conduction）。自分の声を録音して再生すると違って聞こえるのは、骨伝導のせいである。頭蓋骨は空気よりも低周波数をよく伝導するので、自分自身の声は、他人が聞くよりも低くて深く聞こえている。また、骨伝導は、自分自身の声の録音が自分の慣れている声よりも高く聞こえる理由を説明する。骨伝導は、ほとんど耳が聞こえなかった作曲家ルートヴィヒ・ヴァン・ベートーベンによって発見されたとされている。ベートーベンは、ピアノにつけた棒を噛んで顎骨を通して音楽を聴く方法を見つけ出したと言われている。
【０００６】
補聴器の中には、骨伝導を採用し、耳によって直接聞くのと同等の効果を達成しているものもある。ヘッドセットが、こめかみおよび頬に人間工学的に配置され、電気信号を機械的振動に変換する電気機械変換器が、頭蓋骨を通して内耳に音を送る。同様に、マイクロホンを用いて、骨伝導で話し声を記録することができる。骨伝導補聴器の最初の記載は、米国特許第１，５２１，２８７号に提供された。
【０００７】
骨伝導装置は３つのタイプに分類できる：ハンズフリーヘッドセットまたはヘッドホン；補聴器および補聴援助機器；ならびに、特殊な通信装置（例えば、水中用および高騒音環境用）。骨伝導装置は、従来のヘッドホンに対していくつかの利点を有する：かかる装置は、「イヤーフリー」であるため、使い心地および安全性が向上する；非常に騒音の多い環境で鮮明な音を提供できる；聴覚保護と併用できる；ステレオサウンドの知覚を提供できる。
【０００８】
装置の欠点としては：一部の実装ではヘッドホンよりも多くの電力を必要とする；一部の装置は、周波数帯域幅の低減により、従来のヘッドホンおよびマイクロホンほど明瞭な録音および再生を提供できない。
【０００９】
骨伝導スピーカの一例は、スキューバダイバーが利用するゴムでオーバーモールドされた直径約４０ｍｍ厚さ６ｍｍの圧電型屈曲ディスクである。接続ケーブルが、ディスクに成形されており、結果として、頑丈で耐水性のアセンブリが得られる。使用時には、スピーカは、耳の後ろのドーム形の骨の突起の１つにストラップ固定される。期待されるように、生み出される音は、ユーザの頭の中から聞こえるように思えるが、驚くほど明瞭で鮮明でありうる。
【００１０】
骨伝導オーディオ装置は、ヘッドセットまたはヘッドホンに限定されず、装置を骨格系に結合できれば、体の他の部分でも用いることができる。
【００１１】
本開示は、低周波数音響感覚を刺激するための電気機械システム（電気活性ポリマアクチュエータなど）を備えた改良型オーディオ装置（ヘッドホンなど）を提供する。改良型オーディオ装置は、機械的および電気的な音響ノイズ低減モジュールを備える。
【００１２】
本発明によって対処されうる別の用途は、オーディオ信号以外の情報がユーザに伝達される感覚強化オーディオ装置にある。符号化された信号を伝達する感覚強化ヘッドホンの初期の例は、米国特許第１，５３１，５４３号に記載されている。
【発明の概要】
【００１３】
一実施形態において、本開示は、感覚強化オーディオ装置に適用される。オーディオ装置は、第１および第２の電極の間に配置された少なくとも１つのエラストマ誘電体素子を有する電気活性ポリマアクチュエータアレイを備える。トレイが、電気活性ポリマアクチュエータアレイと電気活性ポリマアクチュエータアレイに結合された質量体とを受け入れるよう構成されてよい。回路が、電気活性ポリマアクチュエータアレイに電気的に接続される。回路は、好ましくは約２Ｈｚから約２００Ｈｚまでの周波数範囲の駆動信号を生成して、電気活性ポリマアクチュエータアレイを駆動信号に従って移動または振動させるための回路である。電気活性ポリマアクチュエータは、ヘッドホンである場合にイヤーカップを揺動（振動）させ、その振動が、入力低周波音声を追跡することにより、鼓膜にとって危険な可能性がある高圧の音波を生じさせることなしに低周波音声の感覚を与える。本明細書に開示されている電気活性ポリマアクチュエータは、従来のオーディオ装置（ヘッドホンなど）の「聴取」体験を強化する。適切な駆動信号により、アクチュエータは、オーディオ信号に関連のない情報を伝達するために用いられてもよい。本発明のこれらおよびその他の利点および利益は、後述の「発明を実施するための形態」で明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
以下では、限定ではなく説明のために、図面を参照しつつ本発明について記載する。
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に従って、感覚強化ヘッドホンを示す斜視図。
【図２】一実施形態に従って、図１の左イヤーカップを示す斜視図。
【図３】一実施形態に従って、図１の左イヤーカップを示す正面図。
【図４】一実施形態に従って、図１の右イヤーカップを示す斜視図。
【図５】一実施形態に従って、図１の右イヤーカップを示す背面図。
【図６】一実施形態に従って、図４の切断線６−６に沿って右イヤーカップの断面を示す図。
【図７】一実施形態に従って、図４の切断線６−６に沿って右イヤーカップの断面を示す図。
【図８】一実施形態に従って、図６および図７のイヤーカップを示す正面図。
【図９】一実施形態に従って、電気活性ポリマシステムを示す切り欠き図。
【図１０】動作原理を説明するために電気活性ポリマシステムの一実施形態を示す概略図。
【図１１Ａ】一実施形態に従って、１バー電気活性ポリマアクチュエータアレイの構成を示す図。
【図１１Ｂ】一実施形態に従って、３バー電気活性ポリマアクチュエータアレイの構成を示す図。
【図１１Ｃ】一実施形態に従って、６バー電気活性ポリマアクチュエータアレイの構成を示す図。
【図１２】一実施形態に従って、音響ヘッドホンシステムのための電気活性ポリマアクチュエータシステムの一実施形態を示す分解図。
【図１３】一実施形態に従って、電気活性ポリマアクチュエータおよびスピーカ要素を示す図。
【図１４】一実施形態に従って、電気活性ポリマアクチュエータアレイを露出させるために図１３の質量体を取り除いた図１３の電気活性ポリマアクチュエータを示す図。
【図１５】一実施形態に従って、トレイを取り除いた図１４の電気活性ポリマアクチュエータを示す図。
【図１６】一実施形態に従って、トレイおよび下部剛性フレーム要素のみを示すために質量体と電気活性ポリマアクチュエータアレイのカートリッジ部分とを取り除いた図１４の電気活性ポリマアクチュエータを示す図。
【図１７】一実施形態に従って、電気活性ポリマアクチュエータを示す上面図。
【図１８】一実施形態に従って、切断線１８−１８での図１７の電気活性ポリマアクチュエータの断面を示す図。
【図１９】一実施形態に従って、電気活性ポリマアクチュエータを示す斜視図。
【図２０】一実施形態に従って、図１９の電気活性ポリマアクチュエータを示す背面図。
【図２１】一実施形態に従って、切断線２１−２１での図１９の電気活性ポリマアクチュエータの断面を示す図。
【図２２】一実施形態に従って、屈曲サスペンションシステムのサスペンショントレイ内に配置された質量体を示すために上部プレートを取り除いた図１９の電気活性ポリマアクチュエータを示す斜視図。
【図２３】一実施形態に従って、電気活性ポリマアクチュエータアレイの上に配置された接着層を示すために質量体を取り除いた図２２の電気活性ポリマアクチュエータを示す斜視図。
【図２４】一実施形態に従って、ベースプレートおよび３バー電気活性ポリマアクチュエータアレイをより見やすく示すために屈曲トレイを取り除いた図２３の電気活性ポリマアクチュエータを示す斜視図。
【図２５】一実施形態に従って、ベースプレートおよび接着層を示すために電気活性ポリマアクチュエータアレイを取り除いた図２４の電気活性ポリマアクチュエータを示す斜視図。
【図２６】一実施形態に従って、ベースプレートおよび開口部を示すために接着層および可撓回路を取り除いた図２５の電気活性ポリマアクチュエータを示す斜視図。
【図２７】一実施形態に従って、切断線２７−２７での図１９の電気活性ポリマアクチュエータの断面を示す図。
【図２８】電気活性ポリマアクチュエータの一実施形態を示す図。
【図２９】一実施形態に従って、接着層を示すために質量体を取り除いた図２８の電気活性ポリマアクチュエータを示す斜視図。
【図３０】一実施形態に従って、電気活性ポリマアクチュエータアレイを取り除いたトレイのベース部分を示す図。
【図３１】一実施形態に従って、電気活性ポリマアクチュエータ８００の電気活性ポリマアクチュエータアレイの部分を示す斜視図。
【図３２】横軸に周波数（Ｈｚ）、縦軸にストローク（ｍｍ）の変位を取って、屈曲サスペンションシステムおよびばね上質量体を備えない電気活性ポリマアクチュエータの周波数応答を示す試験データのグラフ。
【図３３】横軸に周波数（Ｈｚ）、縦軸にストローク（ｍｍ）の変位を取って、屈曲サスペンションシステムおよびばね上質量体を備えた電気活性ポリマアクチュエータの周波数応答を示す試験データのグラフ。
【図３４】イヤーカップの一実施形態を示す斜視断面図。
【図３５】図３４のイヤーカップを示す斜視断面図。
【図３６】図３４のイヤーカップを示す正面断面図。
【図３７】スピーカの裏側の音響空洞に取り付けられた下側の独立型トレイを露出させるために耳覆いクッションおよびハウジングを取り除いた図３４〜図３６のイヤーカップの一実施形態を示す図。
【図３８】一実施形態に従って、電気活性ポリマアクチュエータアレイを露出させるために独立型モジュールハウジングを取り除いた図３７のイヤーカップを示す図。
【図３９】一実施形態に従って、質量体を露出させるために電気活性ポリマアクチュエータアレイを取り除いた図３８のイヤーカップを示す図。
【図４０】一実施形態に従って、質量体を取り除いた図３９のイヤーカップを示す図。
【図４１】一実施形態に従って、中に取り付けられたスピーカを示す音響空洞の底面図。
【図４２】イヤーカップの第１のハウジング部分に収容された電気活性ポリマアクチュエータを備える電気活性ポリマヘッドホンの一実施形態を示す図。
【図４３】一実施形態に従って、電気活性ポリマアクチュエータの駆動用の低周波数オーディオ信号を生成すると共に望ましくない音響ノイズを低減するための電子回路を示すブロック図。
【図４４】一実施形態に従って、図４３に示した逆多項式回路（例えば、「逆平方根回路」）を用いていない場合の高調波歪みの測定値を示すグラフ。
【図４５】一実施形態に従って、図４３に示した逆多項式回路（「平方根回路」）を用いた場合の高調波歪みの測定値を示すグラフ。
【図４６】一実施形態に従って、図４３に示した逆多項式回路（例えば、「逆平方根回路」）の一実施形態を示す図。
【図４７】一実施形態に従って、屈曲サスペンションシステムを備えた図１２の電気活性ポリマモジュールを示す一部切り欠き図。
【図４８】一実施形態に従って、屈曲トレイを備えた図１２および図４７の屈曲サスペンションシステムを備えた図１２の電気活性ポリマモジュールの一実施形態を示す概略図。
【図４９】一実施形態に従って、図１２および図４７〜４８に示した屈曲サスペンションシステムのＸおよびＹ方向での動作をモデル化するためにＸおよびＹ軸での振動動作を示す図。
【図５０】一実施形態に従って、図１２および図４７〜４８に示した屈曲サスペンションシステムのＸおよびＺ方向での動作をモデル化するためにＸおよびＺ軸での振動動作を示す図。
【図５１】一実施形態に従って、図１２および図４７〜４８に示した屈曲サスペンションシステムの屈曲トレイ移動停止部を示す概略図。
【図５２】一実施形態に従って、屈曲連結部の梁モデルを示す概略図。
【図５３】一実施形態に従って、質量体を取り除いた屈曲トレイの一実施形態を示す図。
【図５４】屈曲トレイの一実施形態の部分を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の感覚強化オーディオ装置およびオーディオノイズ低減モジュールの実施形態を詳細に説明する前に、開示された実施形態の応用または利用法が、添付の図面および記載において説明した部分の構造および構成の詳細に限定されないことに注意されたい。開示された実施形態は、別の実施形態、バリエーション、および、変形例で実装または組み込まれてもよく、様々な方法で実施または実行されうる。さらに、特に指定のない限り、本明細書で用いられる用語および表現は、例示のためおよび読者の便宜のために実施形態を記載する目的で選択されており、実施形態のいずれをも、開示された特定の実施形態に限定する意図はない。さらに、開示された実施形態、実施形態の表現、および、例の内の任意の１または複数は、限定することなく、他の開示された実施形態、実施形態の表現、および、例の内の任意の１または複数と組み合わせることができる。したがって、一実施形態に開示された要素および別の実施形態に開示された要素の組み合わせは、本開示および添付の請求項の範囲内にあると見なされる。
【００１７】
本発明は、約１０未満の機械的品質係数を有するアクチュエータシステムと、アクチュエータシステムに電気的に接続された回路とを備える感覚強化オーディオ装置を提供しており、回路は、駆動信号を生成して、アクチュエータシステムを駆動信号に従って動作させるための回路である。
【００１８】
本発明は、さらに、少なくとも１つのイヤーカップと、少なくとも１つのイヤーカップ内に配置された電気活性ポリマアクチュエータアレイであって、電気活性ポリマアクチュエータは、第１および第２の電極の間に配置された少なくとも１つのエラストマ誘電体素子を備える電気活性ポリマアクチュエータアレイと、電気活性ポリマアクチュエータアレイに電気的に接続された回路とを備える感覚強化ヘッドホンを提供しており、回路は、駆動信号を生成して、電気活性ポリマアクチュエータアレイを駆動信号に従って振動させるための回路である。
【００１９】
感覚強化オーディオ装置のアクチュエータシステムを動かすために用いられる駆動信号は、オーディオ信号から導出される。本発明に有用なアクチュエータシステムは、第１および第２の電極の間に配置された少なくとも１つのエラストマ誘電体素子を備えた電気活性ポリマアクチュエータアレイを備える。
【００２０】
一実施形態において、駆動信号は、オーディオ信号に従うのではなく他の情報を伝達するためにアクチュエータシステムを動かすよう設計される。したがって、アクチュエータシステムの動作による効果の強度の制御は、オーディオ信号の強度の制御と分離しうる。ユーザは、例えば、ユーザの聴覚に不快または有害である可能性のある音響応答の増加を受けることなく、ヘッドホンの低音域応答を増大させることができる。
【００２１】
一実施形態において、本開示は、限られた音響感覚を補強するために、高品質の低周波振動コンテンツを提供する。これは、例えば、後に詳述するように、電気活性ポリマアクチュエータを備えた感覚強化ヘッドホンなどの感覚強化オーディオ装置を含む。特定の理論に縛られることは望まないが、本発明者は、本発明のオーディオ装置が、電気活性ポリマアクチュエータを含むことによって骨伝導と音波効果との組み合わせに依存すると考える。
【００２２】
本開示は、電気活性ポリマアクチュエータを含む感覚強化ヘッドホンの様々な実施形態を提供する。電気活性ポリマアクチュエータは、誘電体エラストマ素子に基づく電気活性ポリマモジュールを含む。かかるモジュールは、音響ヘッドホンに用いる電気活性ポリマアクチュエータを実装するため、および、機械的音響ノイズ低減技術を実装するために適した帯域幅およびエネルギ密度を有する。かかるモジュールは、２つの電極層に挟まれた誘電体エラストマ薄膜を備えた薄いシートからできている。十分に高い電圧が電極に印加されると、２つの電極が引き合って、誘電体エラストマ薄膜を圧迫する。これらのモジュールは、薄くて、低電力であり、ホスト装置のオーディオ信号源から導出された駆動信号によって生み出された動きを増幅するために慣性質量体に結合されてよい。
【００２３】
感覚強化オーディオ装置の実装のために電気活性ポリマアクチュエータの様々な実施形態を提供することに加えて、様々な態様において、本開示は、様々な供給源からの音響ノイズを低減するための機械的および電子的技術を提供する。各技術は、望ましくない音響を生み出す様々な動作条件に焦点を当てており、以下で別個に説明する。
【００２４】
音響ノイズを低減するための機械的技術の様々な実施形態を開示する。一実施形態において、機械的ノイズ低減技術は、電気活性ポリマを利用した屈曲サスペンションシステムを用いて、実質的に変位を単一方向（例えば、動作方向など、所望の方向）に制限することにより、望ましくない振動モードを最小化および排除する。試験結果により、所望の動作方向に実質的に沿った安定した振動が達成されうることが支持されている。音響ノイズの低減は、所望の方向が音響放射体の軸に直交する時に最大になる。
【００２５】
さらに、音響ノイズを低減するための電子技術の実施形態を開示する。一実施形態において、電子的音響ノイズ技術は、非線形逆変換を用いて、望ましくない音響アーティファクトを除去する。電気活性ポリマ素子の基本的な機能は、電界によって生成される静電圧に依存する。最も単純な形態では、この圧は電界の二乗に比例する。したがって、アクチュエータ応答の望ましくない歪みを補正するために、平方根回路などの非線形逆変換を利用できる。これは、以下で詳述するように、電気活性ポリマの等方性、均質性、線形誘電性にあてはまる。非線形、非等方性、または、不均一である他の材料は、例えば、さらなる電子的および／または機械的補正を必要としうる。非線形ノイズ低減技術を実装するための電子トポロジの例を示すブロック図について、以下に説明する。
【００２６】
様々なノイズ低減技術について説明する前に、本開示では、一実施形態に従って感覚強化ヘッドホン１００を示す斜視図である図１を参照する。図１に示す実施形態において、ヘッドホン１００は、ヘッドバンド１０６で相互に結合された右イヤーカップ１０２および左イヤーカップ１０４を備える。ヘッドバンド１０６は、任意の適切な従来のヘッドバンドであってよい。右および左イヤーカップ１０２および１０４は、それぞれ、対応する右および左の耳覆いクッション１０８および１１０を備える。耳覆いクッション１０８、１１０は任意の形状を有してよいが、伝統的には、かかるクッションは、耳を覆うために円形または楕円形であることを理解されたい。耳覆いクッション１０８、１１０は、完全に耳を覆うので、これらのヘッドホン１００は、例えば、頭に対して完全に密閉して、任意の煩わしい外部ノイズを軽減するように設計できる。クッション１０８、１１０の材料は、ヘッドホンとユーザとの間の密着の程度を調節するように選択できる。右および左イヤーカップ１０２、１０４の各々は、好ましくは、耳覆いクッション１０８、１１０と、穴あきスピーカグリル１１２（右のみ図示）と、ハウジング１１４（左のみ図示）とを備えてよい。ハウジング１１４は、スピーカと、電気活性ポリマアクチュエータと、アクチュエータを駆動するための回路を含む回路基板とを備え、いくつかの実施形態では、さらに、機械的および／または電子的な音響ノイズ低減要素を備える。これらの要素の実施形態について以下で説明する。
【００２７】
図２は、左イヤーカップ１０４の斜視図であり、図３は、左イヤーカップ１０４の正面図である。図２および図３に示すように、左イヤーカップ１０４は、耳覆いクッション１１０および穴あきスピーカグリル１１６を備える。
【００２８】
図４は、右イヤーカップ１０２の斜視図であり、図５は、右イヤーカップ１０２の背面図である。図４および図５に示すように、右イヤーカップ１０２は、ハウジング１１８を備える。
【００２９】
図６および図７は、図４の切断線６−６に沿った右イヤーカップ１０２の断面図である。図８は、図６および図７に示したイヤーカップ１０２の正面図である。左イヤーカップ１０４は実質的に右イヤーカップ１０２と同様であるので、開示の簡潔さおよび明瞭さのために、本開示の残り部分では、右イヤーカップ１０２の構造および機能に焦点を当てるが、かかる属性は、左イヤーカップ１０２にも等しく関係しうる。
【００３０】
ここで、特に図６〜図８を参照すると、一実施形態において、右イヤーカップ１０２は、ハウジング１１８を備えており、ハウジング１１８は、スピーカ１２０および電気活性ポリマアクチュエータ１２２を中に取り付けるのに適した開口部１２４を規定する。図６〜図８に示した実施形態において、アクチュエータ１２２は、いくつかのサブ構成要素を備えるため、本明細書では、電気活性ポリマモジュールと呼ぶこともある。例えば、アクチュエータ１２２が３つのバーを備える特定の実施形態では、アクチュエータ１２２は、限定されることなく、３バー電気活性ポリマモジュールと呼ばれうる。例えば、アクチュエータ１２２が屈曲サスペンションシステムを備える特定の実施形態では、アクチュエータ１２２は、限定されることなく、慣性電気活性ポリマモジュールと呼ばれうる。ここで、図６〜図８に戻ると、スピーカ１２０は、図に示すように、穴あきスピーカグリル１１２のすぐ裏側に取り付けられうる。しかしながら、別の実施形態において、スピーカ１２０の位置は変更されてもよく、ハウジング１１８の開口部１２４内の任意の適切な位置に取り付けられてよい。一実施形態において、例えば、電気活性ポリマアクチュエータ１２２は、ハウジング１１８の内壁１３２の一部に取り付けられてもよい。一実施形態において、アクチュエータ１２２は、トレイ１２６と、電気活性ポリマアクチュエータアレイ１２８と、質量体１３０とを備えてよい。一実施形態において、トレイ１２６は、例えば、変位を単一の所望の動作方向に実質的に制限することによって、望ましくない振動モードを起こす音響ノイズを最小化、低減、または、実質的に排除するために、後に詳述するように屈曲サスペンションシステムに置き換えられてもよい。電気活性ポリマアクチュエータアレイ（アクチュエータ１２８など）は、「ｎバーカートリッジ」と呼ばれてもよく、ここで、「ｎ」は、アレイ内のアクチュエータバーの数を表す。したがって、３バー独立型カートリッジとは、屈曲要素なしにトレイに取り付けられた３つのアクチュエータバーを備える電気活性ポリマアクチュエータアレイのことである。逆に、３バー慣性カートリッジとは、屈曲サスペンションシステムに取り付けられた３つのバーを備える電気活性ポリマアクチュエータアレイのことである。独立型アクチュエータカートリッジ（トレイ１２６など）を備える開示されたヘッドホン実施形態はいずれも、限定することなく、屈曲サスペンショントレイに置き換えられうることを理解されたい。
【００３１】
ここで、図１〜図６を参照すると、一実施形態において、本開示に従った電気活性ポリマアクチュエータ１２２を備える感覚強化ヘッドホン１００は、可聴周波数帯域（例えば、約２０Ｈｚから約２０ｋＨｚ）の範囲の機械的振動を生み出して、耳の中で高い音圧を発生させることなしに高品質の音響感覚を提供することができる。一実施形態において、イヤーカップ１０２、１０４の各々は、電気活性ポリマアクチュエータ１２２を備える。アクチュエータ１２２の各々は、電気活性ポリマアクチュエータアレイ１２８に取り付けられて単純な質量体／ばね／ダンパ共振系を形成する小さい質量体１３０（好ましくは１ないし５０ｇ、より好ましくは２５ｇ）を備える。入力音声の低周波部が、アクチュエータ１２２に接続されたオーディオアンプに送られる。電気活性ポリマアクチュエータ１２２は、イヤーカップ１０２、１０４を揺動（振動）させ、その振動が、入力低周波音声を追跡することにより、鼓膜にとって危険な可能性がある高圧の音波を生じさせることなしに低周波音声の感覚を与える。本明細書に開示されている電気活性ポリマアクチュエータ１２２は、従来のオーディオヘッドホンの「聴取」体験を強化する。低周波（２０Ｈｚ〜２００Ｈｚ）振動の生成は、オーディオヘッドホン１００の知覚周波数範囲を、通常の最適な範囲よりも低い周波数に拡大する。
【００３２】
しかしながら、電気活性ポリマアクチュエータ１２２によって生成された振動は、非線形の性質を有する。さらに、電気活性ポリマアクチュエータ１２２は、音響振動も発生させうるが、それは、望ましい場合もあるし望ましくない場合もある。望ましくない音響振動の場合、本開示は、さらに、望ましくない音響効果を許容可能なレベルまで低減するための機械的および電気的技術を提供する。時に、振動は、スピーカ１２０の面外で起こりうる。所望であれば、ばね上質量体を駆動するために音声コイルを用いることにより、感覚強化ヘッドホン１００に振動増加を加えてもよい。ただし、これらの実装例は、音響放射体と同じ軸で長く振動するような低減衰を有する高Ｑシステムをもたらすことにより、望ましくない音響アーティファクトを導入しうる。しかしながら、様々な実施形態において、本明細書で開示されている電気活性ポリマアクチュエータ１２２は、振動面が音響放射体の軸と垂直になるように配置されてもよく、それにより、望ましくない音響アーティファクトを大幅に低減することができる。
【００３３】
機械的品質係数は、システムの機械的減衰を特徴付ける。その係数は、機械的なエネルギ損失に対する無効エネルギの比である。上述のように、高Ｑ値のシステムは、より長く振動して、より多い音響アーティファクトと、より少ない明確な効果を生み出す。低Ｑ値は、システムが高い機械的損失を有することを示唆するので、振動が容易に減衰され、アクチュエータシステムの動きが明確になる。
【００３４】
最適な性能のために、アクチュエータシステムのＱ値は、１０未満が好ましく、５未満がより好ましく、１．５から３の間が最も好ましい。
【００３５】
当業者であればわかるように、ＱＭＳは、無単位の量であり、ドライバの機械的減衰すなわちサスペンション（サラウンドサスペンションおよびスパイダサスペンション）での損失を特徴付ける。ＱＭＳは、おおよそ０．５ないし１０の間で変化し、典型的な値は約３である。高ＱＭＳは、より低い機械的損失を示唆し、低ＱＭＳは、より高い損失を示唆する。ＱＭＳの主効果は、ドライバのインピーダンスに対するものであり、高ＱＭＳのドライバは、より高いインピーダンスピークを示す。低ＱＭＳの予測因子は、金属音声コイル巻型である。これらは、過電流ブレーキとして作用して減衰を増大させ、ＱＭＳを低減するため、シリンダ内に電気的遮断を有するよう設計される必要がある。一部のスピーカ製造業者は、音声コイルの上部および下部に短絡巻線を配置して、コイルにギャップが残ることを防いできたが、ドライバが過駆動された時にこの装置によって引き起こされる鋭いノイズが驚くほどのものであり、所有者が問題に感じた。低ＱＭＳのドライバは、しばしば、非導電性の巻型で作られるか、紙または様々なプラスチックから製造される。
【００３６】
アクチュエータシステムの共振周波数は、所望の効果のタイプに合わせることが好ましい。例えば、パーカッション（キックドラムなど）の効果すなわち「パンチ」を最大化するには、８０ないし９０Ｈｚの範囲の共振周波数が望ましい。アクチュエータシステムの動作は、セパレートスピーカが用いられる場合、音波の方向に直交することが好ましい。圧電変換器、音声コイル、線形共振モータ、および、偏心モータなど、他のタイプのアクチュエータを用いることもできるが、電気活性ポリマアクチュエータは、この応用例の上述の基準に適合するのに特に適している。電気活性ポリマアクチュエータは、約５０〜１００Ｈｚの適切な共振周波数範囲で本質的に低いＱ係数を有しつつ、感覚強化オーディオ装置により容易に組み込まれる小型、軽量、かつ、エネルギ効率のよいフォームファクタで速い応答時間および高出力を保持するように設計できる。電気活性ポリマアクチュエータは、オーディオ信号を追跡して強化するように、または、オーディオ信号から独立して特に調整された効果を生み出すように、駆動回路によって直接駆動できる。電気活性ポリマアクチュエータの誘電体薄膜が低弾性率（好ましくは１００ＭＰａ未満）であれば、高弾性率材料（圧電ポリマまたは圧電結晶など）で必要になるよりも小さい慣性質量を用いて、アクチュエータの動作を増幅することができる。これにより、携帯型オーディオ装置（ヘッドホンなど）の設計で重要な因子となりうるアクチュエータシステムの総体積および総質量が小さくなる。
【００３７】
例えば、図６〜図８に関連して示した電気活性ポリマアクチュエータ１２２の様々な実施形態のさらなる説明を始める前に、ヘッドホンなどのオーディオ装置での利用に適した電気活性ポリマベースのモジュールを備える様々な統合装置を説明するために、図９〜図１１について簡単に説明する。図９は、振動をヘッドホン１００に提供するためにアクチュエータ１２２に一体的に組み込まれうる電気活性ポリマシステムを示す一部切り欠き図である。したがって、一実施形態において、システムは、電気活性ポリマモジュール２００を備える。電気活性ポリマアクチュエータ２２２は、電圧「Ｖ」を印加されると、固定プレート２０４（例えば、固定面）に対して出力プレート２０２（例えば、摺動面）を摺動させるよう構成されている。プレート２０２、２０４は、鋼球によって隔てられており、所望の方向に移動を制限し、動作距離を制限し、落下試験に耐える特徴を有する。ヘッドホン装置に統合するために、上部プレート２０２は、図６〜図８に示した質量体１３０などの慣性質量体に取り付けられてよい。図９において、電気活性ポリマモジュール２００の上部プレート２０２は、慣性質量体または表面の背側に取り付けられるように構成されると共に矢印２０６に示すように双方向に移動できる摺動面を備える。出力プレート２０２と固定プレート２０４との間に、電気活性ポリマモジュール２００は、少なくとも１つの電極２０８と、任意選択的な少なくとも１つの仕切り２１０と、摺動面（例えば、上部プレート２０２）に結合する少なくとも１つの出力バー２１２とを備える。フレームおよび仕切り部２１４が、固定面（例えば、下部プレート２０４）に結合している。モジュール２００は、摺動面の動作を増幅するために、アレイに構成された任意の数のバー２１２を備えてよい。電気活性ポリマモジュール２００は、可撓ケーブル２１６を介してアクチュエータ制御回路の駆動電子部品に接続されてよい。好ましくは約１ｋＶ（好ましくは５ｋＶまで、より好ましくは１００Ｖから５ｋＶまで、さらに好ましくは３００Ｖから５ｋＶまで）の電位差「Ｖ」が、可撓ケーブルの第１および第２の導電要素２１８Ａ、２１８Ｂに印加されてよい。
【００３８】
電気活性ポリマアクチュエータ２２２を所与のフットプリント内で（ｎ）個の部分に分割することが、電気活性ポリマシステムの受動剛性および最大発生力を設定するための簡便な方法である。予張された誘電体が、外部フレーム（固定プレート２０４など）とフレーム内の１または複数の窓とを規定する剛性材料によって所定の位置に保持される。各窓の中には、同じ剛性フレーム材料の出力バー２１２があり、出力バー２１２の片側または両側には、電極２０８がある。あるいは、以下の開示のように、剛性フレーム材料を接着剤に置き換えてもよい：２１１２年１月１７日出願の本願と同一出願人の国際ＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０２１５１１号「FRAMELESS ACTUATOR APPARATUS,SYSTEM AND METHOD」。この出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下、米国仮特許出願第６１／４３３，６４０号「FRAMELESS DESIGN CONCEPT AND PROCESS FLOW」（２０１１年１月１８日出願）、第６１／４４２，９１３号「FRAME-LESS DESIGN」（２０１１年２月１５日出願）、第６１／４４７，８２７号「FRAMELESS ACTUATOR, LAMINATION AND CASING」（２０１１年３月１日出願）、第６１／４７７，７１２号「FRAMELESS APPLICATION」（２０１１年４月２１日出願）、および、第６１／５４５，２９２号「AN ALTERNATIVE TO Z-MODE ACTUATORS」（２０１１年１０月１０日出願）の優先権を主張する。これらの開示全体は、参照によって本願に組み込まれる。出力バー２１２の片側の誘電体に電位差（Ｖ）を印加すると、エラストマに静電圧が発生し、それにより、電極の面積が拡大して、出力バー２１２に力を加える。この力は、電気活性ポリマアクチュエータ２２２の有効断面積に比例するため、各々がアクチュエータの有効幅を増大させるセグメントの数に対して線形的に大きくなる。追加された各セグメントが、第１に伸長方向（Ｘ）でセグメントを短くして、第２に変位に抵抗する幅（Ｙ）を増大させることにより、効果的に装置を２倍強化するため、受動的なばね定数は、ｎ２に比例する。ばね定数および最大発生力は、誘電体層の数（ｍ）に線形的に比例する。
【００３９】
電気活性ポリマモジュール２００の利点は、ユーザによって実質的にすぐに感じられうる低周波振動をイヤーカップ内で生成できることを含む。さらに、電気活性ポリマモジュール２００は、消費電力が小さく、カスタマイズ可能な設計および性能の選択肢に適している。電気活性ポリマモジュール２００は、米国カリフォルニア州サニーベールのArtificial Muscle社によって開発された電気活性ポリマモジュールを代表するものである。
【００４０】
さらに図９を参照すると、電気活性ポリマモジュール２００の設計変数の多く（例えば、厚さ、フットプリント）は、モジュールの統合者の必要性によって固定されてよく、他の変数（例えば、誘電体層の数、動作電圧）は、コストによって抑制されてよい。アクチュエータの構造（剛性の支持構造および活性誘電体へのフットプリントの割り当て）は、コストにあまり影響しないので、図６〜図８に示したようにモジュール２００がヘッドホン装置と統合される応用例に電気活性ポリマモジュール２００の性能を合わせるための合理的な方法になりうる。
【００４１】
コンピュータによるモデリング技術を用いて、異なるアクチュエータの構造の以下の利点を評価することができる：（１）ハンドセット／ユーザシステムの機構；（２）アクチュエータの性能；および、（３）ユーザの感覚。これらの３つの要素は、候補設計の能力を評価し、評価した能力データを用いて大量生産に適した電気活性ポリマ設計を選択するコンピュータによるプロセスを提供する。モデルは、以下の２種類の効果の能力を予測する：長い効果（ゲームおよび音楽）と、短い効果（キーのクリック）。「能力」は、本明細書では、モジュールが作動中に生み出すことのできる最大の感覚として定義される。候補設計の能力を評価するためのかかるコンピュータによるプロセスについては、同一出願人による国際ＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０００２８９号「ELECTROACTIVE POLYMER APPARATUS AND TECHNIQUES FOR QUANTIFYING CAPABILITY THEREOF」（２０１１年２月１５日出願）に詳述されており、この出願の開示全体は、参照により本願に組み込まれる。
【００４２】
図１０は、電気活性ポリマモジュールの動作原理を説明するために設計された電気活性ポリマシステム３００を示す概略図である。電気活性ポリマシステム３００は、電源３０２を備えており、電源３０２は、説明のために低電圧直流（ＤＣ）バッテリとして図示されており、電気活性ポリマモジュール３０４と電気的に接続されている。本開示によると、電源（ＶＢａｔｔ）は、例えば、約２００Ｈｚ未満、一実施形態では、約２Ｈｚから約２００Ｈｚの間の低周波数オーディオ信号を生成するよう構成されたオーディオ信号源の出力を表す。ここで、用語［約」は、±１０％を表す。電気活性ポリマモジュール３０４は、２つの導電性電極３０８Ａ、３０８Ｂの間に配置された（例えば、挟まれた）薄いエラストマ誘電体素子３０６を備える。導電性電極３０８Ａ、３０８Ｂは、伸縮可能（例えば、形状適合可能）であり、任意の適切な技術（例えば、スクリーン印刷）を用いて、エラストマ誘電体素子３０６の上部および下部に印刷されてよい。電気活性ポリマモジュール３０４は、スイッチ３１２を閉じてバッテリ３０２（例えば、信号源）をアクチュエータ回路３１０に接続することによって作動される。アクチュエータ回路３１０は、低ＤＣ電圧ＶＢａｔｔ信号を、電気活性ポリマモジュール３０４を駆動するのに適したより高いＤＣ電圧Ｖｉｎ信号に変換する。本開示によると、さらなる回路が、ハウジング１１８によって規定された開口部１２４内に配置されてもよく、その回路は、オーディオ信号源からの低電圧低周波数のオーディオ信号を、電気活性ポリマアクチュエータ１２２（図６〜図８）を駆動するのに適したより高い電圧信号に変換するよう構成される。図１０に戻ると、電圧Ｖｉｎが導電性電極３０８Ａ、３０８Ｂに印加された時、エラストマ誘電体素子３０６は、静電圧下で、垂直方向（Ｖ）に収縮すると共に、水平方向（Ｈ）に伸長する。エラストマ誘電体素子３０６の収縮および伸長は、動作として利用されうる。動作または変位の量は、入力電圧Ｖｉｎに比例する。動作または変位は、図１１Ａ、図１１Ｂ、および、図１１Ｃを参照して以下で説明するように、適切な構成の電気活性ポリマアクチュエータによって増幅されうる。
【００４３】
図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃは、様々な実施形態に従って、特に３つの可能な構成の電気活性ポリマアクチュエータアレイ４００、４２０、４４０を示す図である。電気活性ポリマアクチュエータアレイの様々な実施形態は、用途およびその用途の物理的スペースの制約に応じて、任意の適切な数のバーを備えてよい。さらなるバーは、さらなる変位を提供するため、ユーザがすぐに感知することができるリアルな音響再現振動を強化するために利用できる。電気活性ポリマアクチュエータアレイ４００、４２０、４４０は、可撓ケーブル４０２、４２２、４４２を介してアクチュエータ制御回路の駆動電子部品に接続されてよい。
【００４４】
図１１Ａは、１バー電気活性ポリマアクチュエータアレイ４００の一例を示す。１バー電気活性ポリマアクチュエータアレイ４００は、固定プレート４０４と、出力バー４０６と、固定プレート４０４に結合されたエラストマ誘電体素子４０８とを備える。
【００４５】
図１１Ｂは、固定フレーム４３０に結合された３つのバー４２４、４２６、４２８を備える３バー電気活性ポリマアクチュエータアレイ４２０の一例を示す。各対のバーは、仕切り４３２で隔てられている。３つのバー４２４、４２６、４２８の各々は、出力バー４３４と、エラストマ誘電体素子４３６とを備える。３バー電気活性ポリマアクチュエータアレイ４２０は、図１１Ａの１バー電気活性ポリマアクチュエータアレイ４００に比べて、摺動面の動作を増幅する。
【００４６】
図１１Ｃは、固定フレーム４５６に結合された６つのバー４４４、４４６、４４８、４５０、４５２、４５４を備える６バー電気活性ポリマアクチュエータアレイ４４０の一例を示しており、各対のバーは、仕切り４５８で隔てられている。６つのバー４４４、４４６、４４８、４５０、４５２、４５４の各々は、出力バー４６０と、エラストマ誘電体素子４６２とを備える。６バー電気活性ポリマアクチュエータアレイ４４０は、図１１Ａの１バー電気活性ポリマアクチュエータアレイ４００および図１１Ｂの３バー電気活性ポリマアクチュエータアレイ４２０に比べて、摺動面に対する力を増幅する。
【００４７】
図１１Ａ〜図１１Ｃに示した電気活性ポリマアクチュエータアレイ４００、４２０、４４０は、ヘッドホン用途で所望の効果を実現するために、様々な電気活性ポリマアクチュエータに統合されてよい。例えば、一実施形態において、電気活性ポリマアクチュエータアレイは、図６〜図８に示したハウジング１１８の内面に取り付けられるよう構成されてよい。図６〜図８に示した実施形態において、電気活性ポリマアクチュエータアレイ１２８は、感覚強化ヘッドホンを実施するために、電気活性ポリマアクチュエータ１２２と統合される。
【００４８】
図１２は、感覚強化ヘッドホンで利用できる屈曲サスペンションシステム５０２を備える電気活性ポリマモジュール５００の一実施形態を示す分解図である。開示された実施形態で利用できる屈曲サスペンションシステムの例は、同一出願人による国際ＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０２１５０６号「ELECTROACTIVE POLYMER FLEXURE APPARATUS,SYSTEM,AND METHOD」（２０１２年１月１７日出願）に開示されており、この出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下、米国仮特許出願第６１／４３３，６５５号「SLIDING MECHANISM AND AMI ACTUATOR INTEGRATION」（２０１１年４月２１日出願）、第６１／４７７，６８０号「Z-MODE BUMPERS」（２０１１年４月２１日出願）、第６１／４９３，１２３号「FLEXURE SYSTEM DESIGN」（２０１１年６月３日出願）、第６１／４９３，５８８号「ELECTRICAL BATTERY CONNECTION」（２０１１年６月６日出願）、および、第６１／４９４，０９６号「BATTERY VIBRATOR FLEXURE WITH METAL BATTERY CONNECTOR FLEXURE」（２０１１年６月７日出願）の優先権を主張する。これらの開示全体は、参照によって本願に組み込まれる。一実施形態において、屈曲トレイ５０４が、電気活性ポリマアクチュエータ５０６（分解図で示されている）を中に収容するための開口部５１０を規定する。電気活性ポリマアクチュエータ５０６の片側は、屈曲トレイ５０４の下部に取り付けられてよく、アクチュエータ５０６の反対側は、質量体５０８に結合されてよい。電気活性ポリマアクチュエータ５０６および質量体５０８は、トレイ５０４によって規定された開口部５１０内にちょうど収まる寸法を有する。図１２に示すように、アクチュエータ５０６は、２セットの電気活性ポリマアクチュエータアレイ５１２、５１２’を備える。別の実施形態では、１つの電気活性ポリマアクチュエータアレイ５１２が用いられてもよく、別の実施形態では、２セットの電気活性ポリマアクチュエータアレイ５１２、５１２’よりも多くのアレイが、電気活性ポリマアクチュエータ５０６で用いられてもよい。図に示すように、第１および第２のセットの電気活性ポリマアクチュエータアレイ５１２、５１２’は、それぞれ、第１のセットの電気活性ポリマアクチュエータアレイ５１４Ｂ、５１４Ｂ’を質量体５０８の底部に結合するために、出力バー接着層５１４Ａ、５１４Ａ’を備える。フレーム間接着層５１４Ｃ、５１４Ｃ’が、第１のセットの電気活性ポリマアクチュエータアレイ５１４Ｂ，５１４Ｂ’を第２のセットの電気活性ポリマアクチュエータアレイ５１４Ｄ、５１４Ｄ’に結合するために用いられる。ベースフレーム接着層５１４Ｅ、５１４Ｅ’が、第２のセットの電気活性ポリマアクチュエータアレイ５１４Ｄ、５１４Ｄ’をトレイ５０４内の取り付け面５１６に結合する。図１２に示すように、電気活性ポリマアクチュエータ５０６は、２つの３バー電気活性ポリマアクチュエータアレイを備える。別の実施形態において、後に説明するように、任意の適切な数のバーを備える任意の適切な数の電気活性ポリマアクチュエータアレイが用いられてもよい。図１２では図示されていないが、質量体５０８またはトレイ５０８のいずれかが、例えば、可撓ケーブルコネクタでプリント回路基板に物理的および／または電気的に結合されてよい。屈曲サスペンションシステム５０２は、以下で詳述するように、音響ヘッドホンシステムを実施するために利用されうる。屈曲サスペンションシステム５０２のさらなる詳細については、図４７〜図５４を参照して後述する。
【００４９】
ここまで、図６〜図８に示した電気活性ポリマアクチュエータの様々な実施形態で利用できる電気活性ポリマフィードバックモジュールを備えた様々な統合装置について一般的に説明した。以下では、電気活性ポリマアクチュエータ１２２の一実施形態を示す図１３〜図１６について説明する。図１３において、一実施形態に従って、電気活性ポリマアクチュエータ１２２およびスピーカ１２０の要素をより明確に示すために、イヤーカップ１０２のハウジング１１８および耳覆いクッション１０８の部分は図示されていない。図の実施形態において、電気活性ポリマアクチュエータ１２２は、独立型のトレイ１２６（例えば、別の実施形態では、トレイ１２６は、屈曲サスペンションシステムに置き換えられてもよい）を備えており、トレイ１２６は、質量体１３０と、質量体１３０の下の電気活性ポリマアクチュエータアレイ１２８（図１４〜図１５に図示）を保持するための開口部１３６を規定する。トレイ１２６は、電気活性ポリマアクチュエータ１２２をハウジング１１８の内壁１３２（図７〜図８）に取り付けるための周囲面１３４を備える。トレイ１２６は、電気活性ポリマアクチュエータアレイ１２８をアクチュエータ回路に接続するための可撓ケーブルを受け入れるスロット１３８を備える。
【００５０】
図１４は、一実施形態に従って、下にある電気活性ポリマアクチュエータアレイ１２８を図示するために、イヤーカップ１０２のハウジング１１８および耳覆いクッション１０８の部分に加えて質量体１３０（図１３）を取り除いた電気活性ポリマアクチュエータ１２２の図である。図１４に示すように、電気活性ポリマアクチュエータアレイ１２８は、トレイ１２６内に配置される。図１５は、一実施形態に従って、トレイを取り除いた図１４の電気活性ポリマアクチュエータを示す。図１４〜図１５によると、電気活性ポリマアクチュエータアレイ１２８は、電極１４８およびエラストマ誘電体素子１４６を隔てる剛性のフレームおよび仕切り１４２を備える。接着層１４４が電極１４８の上面に提供されており、電気活性ポリマアクチュエータアレイ１２８の上面を質量体１３０の下面に接着して取り付ける。電気活性ポリマアクチュエータアレイ１２８は、３セットの電極１４８およびエラストマ誘電体素子１４６を備えているため、３バーカートリッジと呼ばれてもよい。
【００５１】
図１６は、一実施形態に従って、トレイ１２６および下部剛性フレーム要素１４２のみを示すために、質量体１３０と電気活性ポリマアクチュエータアレイ１２８のカートリッジ部分とを取り除いた図１５の電気活性ポリマアクチュエータ１２２の図である。
【００５２】
図１７および図１８は、一実施形態に従って、電気活性ポリマアクチュエータ６００を示す上面図および切断線１８−１８での断面図である。電気活性ポリマアクチュエータ６００は、屈曲サスペンションシステム６２２を備えており、図１、図６〜８、および、図１３〜１６に示した電気活性ポリマアクチュエータ１２２の代わりにヘッドホン１００で利用することができる。屈曲サスペンションシステム６２２は、サスペンショントレイ６０８と、質量体６０２と、電気活性ポリマアクチュエータアレイ６２４（図１８に図示）とを備える。図１８に示すように、電気活性ポリマアクチュエータ６００は、屈曲サスペンションシステム６２２の上に配置された上部プレート６１０と、３セットの出力バー６１６およびエラストマ誘電体素子６１８を隔てるフレームおよび仕切り部６１４を有するベースプレート６１２とを備える。したがって、電気活性ポリマアクチュエータ６００は、３バー慣性電気活性ポリマモジュールである。電気活性ポリマアクチュエータ６００は、屈曲サスペンションシステム６２２のサスペンショントレイ６０８内に配置された電気活性ポリマアクチュエータを備える。サスペンショントレイ６０８は、サスペンションまたは屈曲アーム６０４、６０６を備える。電気活性ポリマアクチュエータ６００は、振動面Ｘ−Ｙを規定する。屈曲サスペンションシステム６２２は、移動を主に１方向（例えば、矢印６２０で示したＹ軸に沿った方向）に制限する。Ｚ方向の動きを制限することが、Ｙ方向の自由な動作に必要な隙間を維持するのに役立つ。電気活性ポリマアクチュエータ６００に、低周波数オーディオ信号からの電圧が印加されると、サスペンショントレイ６０８は、矢印６２０で示すように、実質的にＹ軸に沿って動作し、ＸおよびＺ軸に沿った動作は実質的に最小限に抑えられる。したがって、屈曲サスペンションシステム６２２を備えた電気活性ポリマアクチュエータ６００は、望ましくない音響効果を実質的に低減または排除する。屈曲サスペンションシステム６２２は、音響効果を生成して意図的にアーティファクトをサウンドトラックに追加するために利用されてもよい。
【００５３】
一実施形態において、屈曲サスペンションシステム６２２は、電気活性ポリマアクチュエータアレイ６２４に結合された少なくとも１つの屈曲部を備えており、屈曲部は、エラストマ誘電体素子６１８内の第１および第２の電極に電圧が印加された時に、屈曲サスペンションシステム６２２が所定の方向に移動することを可能にする。一実施形態において、屈曲サスペンションシステム６２２は、所定の方向のサスペンショントレイ６０８の移動を制限するための少なくとも１つの移動停止部を備える。一実施形態において、サスペンショントレイ６０８は、少なくとも１つの屈曲アーム６０４、６０６を備える。一実施形態において、屈曲トレイ６０８は、所定の方向の屈曲サスペンションシステム６２２の移動を制限するための少なくとも１つの移動停止部を備える。一実施形態において、屈曲アームの少なくとも１つは、サスペンショントレイ６０８と一体的に形成される。
【００５４】
図１９〜図２７は、図１７および図１８に示した屈曲サスペンションシステム６２２と同様の屈曲サスペンションシステム７２２を備える電気活性ポリマアクチュエータ７００の一実施形態を示す図である。一実施形態に従って、図１９は、電気活性ポリマアクチュエータ７００を示す斜視図であり、図２０は、アクチュエータを示す背面図である。一実施形態に従って、図２１は、切断線２１−２１での電気活性ポリマアクチュエータ７００の断面図であり、図２７は、図１９に示した切断線２７−２７での電気活性ポリマアクチュエータ７００の断面図である。ここで、図１９〜図２１および図２７によると、屈曲サスペンションシステム７２２に加えて、一実施形態において、電気活性ポリマアクチュエータ７００は、上部プレート７１０と、ベースプレート７１２と、第１および第２の導電要素７３６Ａ、７３６Ｂを介して電気活性ポリマアクチュエータアレイ７２４を電子駆動回路７４０に電気的に接続するための可撓ケーブル７２８を受け入れるスロット７２６とを備える。ベースプレート７１２は、電気活性ポリマアクチュエータアレイ７２４の出力バー７１６の一部を露出させる開口部７３０を備える。
【００５５】
図２１は、一実施形態に従って、質量体７０２と、電気活性ポリマアクチュエータ７００をベースプレート７１２に接着して取り付けるために電気活性ポリマアクチュエータアレイ７２４およびベースプレート７１２の間に配置された第１の接着層７３２とを示す図である。第２の接着層７３４が、質量体７０２および電気活性ポリマアクチュエータアレイ７２４の間に配置されており、電気活性ポリマアクチュエータアレイ７２４を質量体７０２に接着して取り付ける。
【００５６】
図２２は、一実施形態に従って、屈曲サスペンションシステム７２２のサスペンショントレイ７０８内に配置された質量体７０２を示すために上部プレート７１０を取り除いた電気活性ポリマアクチュエータ７００の斜視図である。サスペンショントレイ７０８は、第１および第２のサスペンションアーム７０４、７０６を備える。図１７および図１８に関連して説明したように、サスペンショントレイ７０８内に形成されたサスペンションアーム７０４、７０６は、屈曲サスペンションシステム７２２が所定の方法で移動することを可能にする。例えば、屈曲サスペンションシステム７２２のサスペンションアーム７０４、７０６は、矢印７２０で示すように、Ｘ−Ｙ平面での質量体７０２の移動を主にＹ軸に沿った方向に制限する。Ｚ方向の動きを制限することが、Ｙ方向の自由な動作に必要な隙間を維持するのに役立つ。したがって、電気活性ポリマアクチュエータ７００に、低周波数オーディオ信号からより高い電圧が印加されると、サスペンショントレイ７０８は、実質的にＹ軸に沿った矢印７２０で示す動作方向に移動する。
【００５７】
図２３は、一実施形態に従って、電気活性ポリマアクチュエータアレイ７２４の上に配置された接着層７３４を示すために質量体７０２を取り除いた図２２の電気活性ポリマアクチュエータ７００の斜視図である。接着層７３４は、電気活性ポリマアクチュエータアレイ７２４を質量体７０２の下面に接着して結合する。電気活性ポリマアクチュエータアレイ７２４は、さらに、３セットの別個の出力バー７１６およびエラストマ誘電体素子７１８を隔てるフレームおよび仕切り部７１４を有する。電気活性ポリマアクチュエータアレイ７２４は、３つのバーを備えるため、限定することなしに、３バー慣性電気活性ポリマモジュールと呼ばれてもよい。
【００５８】
図２４は、一実施形態に従って、ベースプレート７１２および３バー電気活性ポリマアクチュエータアレイ７２４をより見やすく示すために屈曲トレイ７０８を取り除いた図２３の電気活性ポリマアクチュエータ７００の斜視図である。図２４に示すように、電気活性ポリマアクチュエータアレイ７２４は、フレームおよび仕切り部７１４と、出力バー７１６と、エラストマ誘電体素子７１８と、出力バー７１６の上に配置された接着層７３４とを備える。
【００５９】
図２５は、一実施形態に従って、ベースプレート７１２および接着層７３２を示すために電気活性ポリマアクチュエータアレイ７２４を取り除いた図２４の電気活性ポリマアクチュエータ７００の斜視図である。ベースプレート７１２は、開口部７３０を備えており、接着層７３２が、ベースプレート７１２と電気活性ポリマアクチュエータアレイ７２４との間に配置されている。可撓回路７２８の第１および第２の導体７３６Ａ、７３６Ｂは、対応する第１および第２の端子７３８Ａ、７３８Ｂに電気的に接続されている。
【００６０】
図２６は、一実施形態に従って、ベースプレート７１２および開口部７３０を示すために接着層７３２および可撓回路７２８を取り除いた図２５の電気活性ポリマアクチュエータ７００の斜視図である。
【００６１】
図２８〜図３１は、電気活性ポリマアクチュエータ８００の一実施形態を示す。一実施形態において、電気活性ポリマアクチュエータ８００は、トレイ８２２と、質量体８０２と、トレイ８２２に形成されたスロット８２６とを備える。スロット８２６は、電気活性ポリマアクチュエータアレイ８２４を電子駆動回路に電気的に接続するための可撓ケーブル（図示せず）を受け入れるような寸法を有する。図３０は、一実施形態に従って、電気活性ポリマアクチュエータアレイ８２４を取り除いたトレイ８２２のベース部分を示す図である。トレイ８２２のベース部分は、電気活性ポリマアクチュエータアレイ８２４の出力バー８１６を露出させる開口部８３０を備える。質量体８０２は、間に配置された接着層８３４によって電気活性ポリマアクチュエータアレイ８２４に接着される。電気活性ポリマアクチュエータ８００は、Ｘ−Ｙ平面で示された振動面を規定する。トレイ８２２は、矢印８２０で示すように、主にＹ軸に沿った１方向に移動を制限する。Ｚ方向の動きを制限することが、Ｙ方向の自由な動作に必要な隙間を維持するのに役立つ。したがって、アクチュエータ８００に、低周波数オーディオ信号からより高い電圧が印加されると、トレイ８２２は、実質的にＹ軸に沿った矢印８２０で示す動作方向に移動する。
【００６２】
図２９は、一実施形態に従って、接着層８３４を示すために質量体８０２を取り除いた図２８の電気活性ポリマアクチュエータ８００の斜視図である。図に示すように、接着層８３４は、電気活性ポリマアクチュエータアレイ８２４の上に配置され、その上に質量体８０２が配置される。電気活性ポリマアクチュエータアレイ８２４は、接着層８３４で質量体８０２の下面に接着される。電気活性ポリマアクチュエータアレイ８２４は、さらに、電気活性ポリマアクチュエータアレイ８２４の３セットの別個の出力バー８１６およびエラストマ誘電体素子８１８を隔てるフレームおよび仕切り部８１４を有する。電気活性ポリマアクチュエータアレイ８２４は、３つのバーを備えるため、限定することなしに、３バー電気活性ポリマモジュールと呼ばれてもよい。図３１は、一実施形態に従って、電気活性ポリマアクチュエータ８００の電気活性ポリマアクチュエータアレイ８２４の部分を示す斜視図である。
【００６３】
図３２および図３３は、横軸に周波数（Ｈｚ）、縦軸にストローク（ｍｍ）の変位を取って、２つのタイプの電気活性ポリマアクチュエータのそれぞれの周波数応答を示す試験データのグラフ９００、９５０である。図３２に示すグラフ９００は、電気活性ポリマアクチュエータ１２２（図６〜８および図１３）、および、主に電気活性ポリマアクチュエータアレイの動作を利用して、ばね上質量体を動かす電気活性ポリマアクチュエータ８００（図２８）など、屈曲サスペンションシステムおよびばね上質量体を持たない電気活性ポリマアクチュエータの周波数応答曲線を示す。一部の周波数（特に２０Ｈｚから５０Ｈｚ）において、ばね上質量体は、全方向に自由に動き、望ましくない方向での制限も支持もないために、揺動する。この現象は、所望の方向の変位ひいては所望の感覚における歪み９０２、９０４として現れる。図３３に示すグラフ９５０は、図１７〜図１９に示したアクチュエータ６００、７００のそれぞれの屈曲サスペンションシステム６２２、７２２など、屈曲サスペンションシステムを用いる電気活性ポリマアクチュエータの周波数応答曲線を示す。領域９５２および９５４は、望ましくない歪みが屈曲サスペンションシステム６２２、７２２によって良好に排除されたことを明確に示している。
【００６４】
図３４〜図４０は、図１に示した感覚強化ヘッドホン１００で利用可能なイヤーカップ１０００の一実施形態を示す。一実施形態に従って、図３４および図３５は、イヤーカップ１０００の斜視断面図を示し、図３６は、イヤーカップの正面断面図を示す。ここで、特に図３４〜図３６を参照すると、一実施形態において、右イヤーカップ１０００は、耳覆いクッション１００８と、ハウジング１０１８とを備えており、ハウジング１０１８は、スピーカ１０２０および電気活性ポリマアクチュエータ１０２２を中に取り付けるのに適した開口部１０２４を規定する。図３４〜図３６に示した実施形態において、電気活性ポリマアクチュエータ１０２２は、電気活性ポリマモジュールと呼ぶこともある。特に、図３４〜図３６に示した実施形態において、電気活性ポリマアクチュエータ１０２２は、限定することなく、３バー慣性電気活性ポリマモジュールと呼ぶこともある。図に示すように、スピーカ１０２０は、穴あきスピーカグリル１０１２のすぐ裏側に取り付け可能である。しかしながら、別の実施形態では、スピーカ１０２０の位置が異なってもよい。一実施形態において、アクチュエータ１０２２は、電気活性ポリマアクチュエータアレイ１０２８および質量体１０３３を中に受け入れるよう構成された独立型のトレイ１０２６を備える。電気活性ポリマアクチュエータ１０２２は、音響空洞１０５０に取り付けられており、音響空洞１０５０は、スピーカ１０２０のすぐ裏側に設けられている。別の実施形態において、アクチュエータ１０２２は、例えば、図１７〜図１９に示したアクチュエータ６００、７００のそれぞれの屈曲サスペンションシステム６２２、７２２などの屈曲サスペンションシステムを備えて、より低い周波数（例えば、２００Ｈｚ未満）の小さい歪みを機械的に補正してもよい。アクチュエータ１０２２は、さらに、電気活性ポリマアクチュエータアレイ１０２８と、質量体１０３０とを備えてもよい。
【００６５】
図３７〜図４１は、一実施形態に従って、下側の構造を示すために他の要素を取り除いたイヤーカップ１０００の様々な要素を示す図である。したがって、図３７は、スピーカ１０２０の裏側の音響空洞１０５０に取り付けられた下側の独立型トレイ１０２６を露出させるために耳覆いクッション１００８およびハウジング１０１８を取り除いたイヤーカップ１０００の一実施形態を示す図である。
【００６６】
図３８は、一実施形態に従って、電気活性ポリマアクチュエータアレイ１０２８を露出させるために独立型モジュールハウジング１０２６を取り除いた図３７のイヤーカップ１０００を示す図である。電気活性ポリマアクチュエータアレイ１０２８は、出力バー１０４８およびエラストマ誘電体素子１０４６を隔てる剛性のフレームおよび仕切り１０４２を備える。接着層１０４４が、出力バー１０４８上に提供され、電気活性ポリマアクチュエータアレイ１０２８を独立型トレイ１０２６に接着する。質量体１０３０は、独立型トレイ１０２６に取り付けられた屈曲部（図示せず）から吊り下がっている。第２の接着層（図示せず）が、独立型トレイ１０２６を音響空洞１０５０に接着するために提供されてもよい。
【００６７】
図３９は、一実施形態に従って、質量体１０３０を露出させるために電気活性ポリマアクチュエータアレイ１０２８を取り除いた図３８のイヤーカップ１０００を示す図である。一実施形態に従って、図４０は、質量体１０３０を取り除いた図３９のイヤーカップ１０００を示し、図４１は、中に取り付けられたスピーカ１０２０を示す音響空洞１０５０の底面図である。
【００６８】
ここまで、音響ノイズを低減するための機械的技術を含む様々な電気活性ポリマヘッドホンの実施形態について説明した。以下では、本明細書に記載の電気活性ポリマアクチュエータの実施形態のいずれにも組み込むことができる音響ノイズ低減のための電子的方法について説明する。以下では、非線形逆変換を用いて望ましくない音響アーティファクトを除去する電子的音響ノイズ低減技術の実施形態について説明する。ただし、まず、図４２を簡単に説明する。図４２は、イヤーカップ１１１０の第１のハウジング部分１１０４に収容された電気活性ポリマアクチュエータ１１０２を備える感覚強化ヘッドホン１１００の一実施形態を示す。電気活性ポリマアクチュエータ１１０２を低オーディオ周波数で駆動するための電子回路と、望ましくない音響ノイズを低減するための電子回路とを備えた回路基板１１０６も図示されている。回路基板１１０６は、電気活性ポリマアクチュエータ１１０２の裏側に取り付けられてよい。電気活性ポリマアクチュエータ１１０２および回路基板１１０６のアセンブリ全体は、第１のハウジング部分１１０４と第２のハウジング部分１１０８との間に配置されてよい。
【００６９】
図４３は、一実施形態に従って、電気活性ポリマアクチュエータの駆動用の低周波数オーディオ信号を生成すると共に望ましくない音響ノイズを低減するための電子回路を示すブロック図１２００である。様々な信号調整、増幅、補償、および、駆動回路も実装されている。特に、アナログオーディオ信号モジュール１２０２が、差動増幅器のソースからアナログオーディオ信号を受信する。一実施形態において、差動増幅器は、例えば、マサチューセッツ州ノーウッドのＡｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ社から入手可能なＡＤ８２２単電源レイルツーレイル低電力電界効果トランジスタ入力オペアンプまたは任意の適切な等価物など、任意の適切な集積回路増幅器で実装されてよい。
【００７０】
自動利得制御モジュール１２０４が、アナログオーディオ信号モジュール１２０２から出力信号を受信し、例えば０ｄＢから２０ｄＢ（または任意の適切な利得）の自動利得制御を提供する。一実施形態において、自動利得制御モジュール１２０４は、例えば、カリフォルニア州サニーベールのＭａｘｉｍ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ社から入手可能なＭＡＸ９８１４（自動利得制御および低ノイズマイクロホン付きのマイクロホンアンプ）または任意の適切な等価物など、任意の適切な集積回路増幅器で実装されてよい。一実施形態において、自動利得制御モジュール１２０４は、実際のオーディオ音響信号のボリュームと異なった方法で、イヤーカップの各々の中の電気活性ポリマアクチュエータを駆動するための振動の量を制御するよう構成されている。各イヤーカップの中の電気活性ポリマアクチュエータを駆動するための振動レベルは、実際のオーディオ音響信号のボリュームと異なるが、振動レベルの利得は、オーディオ音響レベルの利得に相関または基づく。様々な実施形態において、振動レベルの利得とオーディオ音響レベルの利得との間の関係は、具体的な設計の実装に応じて、線形であっても非線形であってもよい。一実施形態において、利得の間の関係は、非線形関数（正弦関数、平方根関数、対数関数、指数関数など）を近似するために非線形である。図の実施形態では、振動レベルの利得とオーディオ音響レベルの利得との間の関係は、平方根関数を近似する非線形関数である。換言すると、振動レベルの利得は、オーディオ音響レベルの利得の平方根と近似的に相関する。したがって、電気活性ポリマアクチュエータの振動は、入力低周波音声を追跡して、鼓膜にとって危険な可能性がある高圧の音波を生じさせることなしに低周波音声の感覚を与える。
【００７１】
一実施形態において、振動レベルの利得は、表１に示すようにオーディオ音響レベルの利得の平方根を近似する。
【００７２】
【表１】
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【００７３】
自動利得制御モジュール１２０４から、信号が低周波デジタルフィルタモジュール１２０６に送られる。低周波デジタルフィルタモジュール２０６は、任意の適切な回路技術を用いて実装されてよく、デジタルまたはアナログ処理回路素子の中でも特に、マイクロコントローラおよびプログラマブルゲートアレイ回路を備えてよい。一実施形態において、低周波デジタルフィルタモジュール１２０６は、例えば、カリフォルニア州サンノゼのCypress Semiconductor社から入手可能なＣＹ８Ｃ２９４６６プログラマブル・システムオンチップ・コントローラまたは任意の適切な等価物など、任意の適切なプログラマブルシステムで実装されてよい。
【００７４】
低周波増幅器モジュール１２０８が、低周波デジタルフィルタモジュール１２０６の出力を増幅し、その出力は、プログラマブルゲートアレイ回路に送られる。一実施形態において、低周波増幅器モジュール１２０８は、例えば、カリフォルニア州サニーベールのMaxim Integrated Products社から入手可能なＭＡＸ９６１８（低電力・ゼロドリフト・オペアンプ）または任意の適切な等価物など、任意の適切な集積回路増幅器を用いて実装されてよい。
【００７５】
低周波デジタルフィルタ１２０６の出力は、逆多項式回路１２１０など非線形逆変換回路（平方根回路）に供給され、逆多項式回路１２１０は、電気活性ポリマアクチュエータを振動させるために用いられるオーディオ信号の望ましくない歪みを除去するための電子オーディオ信号補正を提供する。換言すると、逆多項式回路１２１０は、例えば、逆関数を近似して、電気活性ポリマアクチュエータを線形化する。様々な実施形態において、逆多項式回路１２１０は、集積回路、プログラマブル回路、区分線形回路、および／または、それらの任意の組み合わせを用いて実装されてよい。一実施形態において、区分線形回路を用いて、非線形関数（正弦関数、平方根関数、対数関数、指数関数など）を近似することができる。近似の質は、区分線形回路によって用いられる区分の数と、区分の決定に用いられる方法とによって決まる。概して、区分線形回路を構築するには、２つの方法がある：（１）ダイオード（またはトランジスタ）を備えた非線形分圧器を用いて区分を切り換える、および、（２）一連の飽和増幅器の出力を合計する。これらの方法の両方が利用可能であり、技術的に等価であるが、それぞれに利点および欠点がある。
【００７６】
ダイオードを用いた方法は、簡便であるという利点を有するが、切り換え閾値への温度依存性および比較的遅い応答という欠点がある。飽和増幅器の方法は、複雑であるという欠点を有するが、閾値への温度依存性が最小限であり、高速であるという利点がある。様々な実施形態において、逆多項式回路１２１０は、圧縮回路または伸長回路として実装されてよく、各回路は、異なる回路トポロジを有する。圧縮回路は、入力信号のダイナミックレンジを圧縮し、伸長回路は、ダイナミックレンジを伸長する。圧縮回路の例としては、平方根回路、対数回路、および、正弦回路が挙げられ、一般に、非線形分圧器技術を用いる。拡張回路の一例は、指数関数である。別の実施形態では、例えば、電気活性ポリマアクチュエータを線形化するための逆多項式回路１２１０を実装するために、圧縮回路および伸長回路が併用されてもよい。ダイオードスイッチングを用いて逆平方根関数を近似する区分線形回路の一実施形態について、図４６を参照しつつ以下で詳述する。
【００７７】
逆多項式回路１２１０の出力は、電気活性ポリマアクチュエータモジュールの駆動に十分なレベルに増幅するために、高電圧増幅器１２１２に供給される。一般に、電気活性ポリマアクチュエータモジュールを駆動するのに必要な電圧は、数百ボルト（Ｖ）から数千ボルト（ｋＶ）の範囲でありうる。なお、公称駆動電圧は約１ｋＶである。高電圧増幅器１２１２の左チャネル出力１２１４Ｌが、左の反射アクチュエータおよび質量体１２１６Ｌ、例えば、ヘッドホンの左イヤーカップに配置された電気活性ポリマアクチュエータに供給される。高電圧増幅器１２１２の右チャネル出力１２１４Ｒが、右の反射アクチュエータおよび質量体１２１６Ｒ、例えば、ヘッドホンの右イヤーカップに配置された電気活性ポリマアクチュエータに供給される。一実施形態において、電気活性ポリマアクチュエータを備えた感覚強化ヘッドホンで平方根回路を用いて、単層アクチュエータを向上させることができる。例えば、多相アクチュエータで、非線形制御技術を用いてもよい。
【００７８】
一実施形態において、電子回路は、視覚フィードバック表示モジュール１２１８を備える。この実施形態では、青い表示（例えば、発光ダイオードすなわちＬＥＤ）がオーディオ信号を示す。緑の表示が、処理済みの信号を示す。オレンジ／赤の表示が、混合および高電圧信号を示す。当業者であればわかるように、任意の組み合わせの所望の色を用いて、視覚フィードバックを提供することができる。
【００７９】
図４４は、一実施形態に従って、図４３に示した逆多項式回路１２１０（例えば、「逆平方根回路」）を用いていない場合の高調波歪みの測定値１３００を示すグラフである。下部の曲線１３０２は、平方根回路１２１０なしに１００Ｈｚで測定した加速度波形であり、上部の曲線１３０４は、第二高調波１３０６を示すフーリエ変換である。
【００８０】
図４５は、一実施形態に従って、図４３に示した逆多項式回路１２１０（「平方根回路」）を用いた場合の高調波歪みの測定値１３５０を示すグラフである。下部の曲線１３５２は、平方根回路１２１０を用いた場合に１００Ｈｚで測定した加速度波形であり、上部の曲線１３５４は、大幅に低減された第二高調波１３５６を示すフーリエ変換である。
【００８１】
図４６は、ダイオードスイッチングを用いて逆平方根関数を近似する区分線形回路を利用した図４３の逆多項式回路１２１０の一実施形態を示す。図４３に関連して説明したように、電気活性ポリマアクチュエータを線形化する線形化関数を実装するために、別の非線形回路トポロジを用いてもよく、図４６に関して説明するトポロジは一例にすぎない。したがって、逆多項式回路の実施形態は、これに関連して限定されるべきではない。図４６に示す実施形態において、逆多項式回路１２１０は、電圧電流変換器回路１２２０と、ダイオードスイッチングトポロジを用いた区分線形回路１２３０と、最終利得増幅器１２４０とを備える。例えば、図４３に示すように、出力電圧Ｖｏが、高電圧増幅器１２１２に供給される。
【００８２】
電圧電流変換器回路１２２０は、第１の増幅器Ａ１および抵抗器Ｒ１〜Ｒ４を用いて、図４３の低周波デジタルフィルタモジュール１２０６からの入力電圧Ｖｉｎに比例する電流ｉを生成する。電流ｉは、区分線形回路１２３０に供給され、区分線形回路１２３０は、Ｒ５〜Ｒ１５およびダイオードＤ１〜Ｄ５を用いて、逆平方根関数（電流から電圧）を近似するよう構成されている。最終利得増幅器１２４０は、抵抗器Ｒ１６〜Ｒ１７および第２の増幅器Ａ２を備えており、（Ｒ１６およびＲ１７で）最終的なスケーリングを設定し、その値は、１から１００の間の任意の値であってよいが、通例は１から２の間である。
【００８３】
図の実施形態において、区分線形回路１２３０は、電流と、生じるノード電圧ｖｎとに応じて切り換えられる５つの区分を備える。各区分は、ｖｎの入力電圧範囲に基づいて異なる傾きを近似する区切り点電圧（ｂｒｅａｋ  ｐｏｉｎｔ  ｖｏｌｔａｇｅ）を有する例えば、第１の区分は、ＶＡとＤ１でのダイオード電圧降下とを足したものに等しい第１の区切り点電圧Ｖ１を有する。同様に、第２の区分は、ＶＢとＤ２でのダイオード電圧降下とを足したものに等しい第２の区切り点電圧Ｖ２を有しており、第５の区分まで同様であり、第５の区分は、ＶＥとＤ５でのダイオード電圧降下とを足したものに等しい第５の区切り点電圧Ｖ５を有する。各区分は、抵抗器Ｒ５〜Ｒ１５の並列組み合わせに基づいた異なる傾きを有する。各区分に切り換えられると、傾きは、ノードの電圧ｖｎが、抵抗器のために選択された値に応じて逆平方根関数を近似するように変化する。区分線形回路１２３０は、選択された抵抗値に応じて平方根関数またはその他の非線形関数を実装してもよい。増幅器Ａ１およびＡ２は、例えば、マサチューセッツ州ノーウッドのＡｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ社から入手可能なＡＤ８２３レイルツーレイルＦＥＴ入力オペアンプ、または、任意の適切な等価物など、任意の適切な集積回路増幅器であってよい。一実施形態において、電圧Ｖ＋は、例えば、＋５Ｖであってよい。
【００８４】
一実施形態において、電圧電流変換器回路１２２０を実装するための抵抗器Ｒ１〜Ｒ４、区分線形回路１２３０を実装するための抵抗器Ｒ５〜Ｒ１５、および、最終利得増幅器１２４０を実装するための抵抗器Ｒ１６〜Ｒ１７が、表２に示されている。抵抗器の値は、達成されるべき精度に応じて異なる公差を持ちうるものであり、±１０％、±５、±１であってもよいし、任意の適切な値に調整されてもよいことを理解されたい。
【００８５】
【表２】
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【００８６】
図４７〜図５４は、開示された実施形態に従って、屈曲サスペンションシステムのさらなる詳細を示す図である。図４７は、一実施形態に従って、屈曲サスペンションシステムを備えた図１２の電気活性ポリマモジュール５００を示す一部切り欠き図である。
【００８７】
図４８は、一実施形態に従って、屈曲トレイ５０４を備えた図１２および図４７の屈曲サスペンションシステム５０６を備えた図１２の電気活性ポリマモジュール５００の一実施形態を示す概略図である。図４７および図４８によると、屈曲トレイ５０４は、屈曲部５７０と、移動停止部５７２、５７４と、屈曲トレイ５０４によって規定された開口部内に配置された質量体５０８とを備える。屈曲部５７０および移動停止部５７２、５７４は、屈曲トレイ５０４に成形されてもよいし、別個の構成要素として提供されてもよい。上述のように、屈曲トレイ５０４は、取り付け面５６８に結合されており、取り付け面５６８は、屈曲サスペンションシステム５０２のための機械的な土台として機能する。１または複数の位置に配置された屈曲部５７０は、屈曲トレイ５０４が１または複数の動作方向に振動することを可能にする。図の実施形態において、屈曲トレイ５０４は、屈曲トレイ５０４がＸおよびＹ方向に動作することを可能にする４つの別個の屈曲部５７０を備える。屈曲トレイ５０４は、さらに、所定の方向の移動または動作を制限して衝撃タイプの動作による損傷を防止するために、Ｘ−移動停止部５７２およびＹ−移動停止部５７４を備える。Ｘ−およびＹ−移動停止部５７２、５７４は、以下で図４９および図６０を参照して詳述するように、ＸおよびＹ方向の屈曲トレイ５０４の動作を制限するために提供され、その結果、屈曲サスペンションシステム５０２は、望ましくない動作方向での望ましくない振動を制限できる。
【００８８】
図４９は、一実施形態に従って、図１２および図４７〜４８に示した屈曲サスペンションシステム５０２のＸおよびＹ方向での動作をモデル化するためのＸおよびＹ軸での振動動作の図５８０である。図５０は、一実施形態に従って、図１２および図４７〜４８に示した屈曲サスペンションシステム５０２のＸおよびＺ方向での動作をモデル化するためのＸおよびＺ軸での振動動作の図５８２である。ここで、図１２および図４７〜５０を参照すると、ｋｆｘ＝屈曲部５７０および電気接続のＸ軸方向の複合剛性、ｋａｘ＝電気活性ポリマアクチュエータ５０６のＸ軸方向の能動剛性、ｋｆｚ＝屈曲部５７０および電気接続のＺ軸方向の複合剛性、ｋａｚ＝電気活性ポリマアクチュエータ５０６のＺ軸方向の剛性、ｍｔｒａｙ＋ｍｂａｔｔ＝動作している質量体５０８および任意の他の支持構造からなる総ばね上質量。
【００８９】
Ｘ軸コンプライアンス
Ｘ軸方向のコンプライアンスが、屈曲サスペンションシステム５０２の性能を評価する際に考慮すべき１つの因子である。複合非アクチュエータ剛性（ｋｆｘ）は、できる限り低減され、例えば、アクチュエータ剛性（ｋａｘ）の約１０％未満に維持されることが好ましい。電気相互接続に由来するさらなる剛性が、非アクチュエータ剛性の計算に入れられることが好ましい。Ｘ軸方向の屈曲部５７０の剛性は、移動停止部５７２、５７４を適切に用いた適切な動作制御を提供する。
【００９０】
Ｚ軸コンプライアンス
Ｚ軸方向のコンプライアンスは、特に、アセンブリの無制限なＸ軸方向の動作がユーザ入力中に保証されることが好ましいタッチ面（例えば、タッチスクリーンまたはタッチパッド）サスペンション用途と屈曲サスペンションシステム５０２が統合される場合に、重力またはユーザ入力による動質量の偏位を低減するために、できる限り低減されることが好ましい。理想的には、Ｚ軸方向の総剛性が、Ｘ軸方向の総剛性の３００倍を超えうる。負のＺ方向（−Ｚ方向）の移動停止部が利用されない場合、屈曲部５７０は、質量体５０８の除去中に受ける可能性がある力または衝撃に耐えるよう構成されることが好ましい。
【００９１】
Ｙ軸コンプライアンス
屈曲部５７０が適切に設計されれば、屈曲部５７０の梁が圧縮または引張を受けている時、Ｙ軸方向のコンプライアンスは、比較的小さくなる。Ｙ軸方向の任意のコンプライアンスは、すべての状況で望ましくない屈曲部５７０の座屈または伸長の結果である。Ｙ軸方向の偏位量は、例えば、動作中の屈曲部５７０への損傷を防ぐために、最小限に抑えられることが好ましい。
【００９２】
以下の表３は、一実施形態に従って、剛性が電気活性ポリマアクチュエータ５０６の総剛性の１０％であることに基づいて屈曲部の総剛性を提供しており、提供された値は、おおよその値の例である。
【００９３】
【表３】
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【００９４】
図５１は、一実施形態に従って、図１２および図４７〜４８に示した屈曲サスペンションシステム５０２の屈曲トレイ５０４の移動停止部５７２、５７４を示す概略図５８４である。図５１に示す屈曲サスペンションシステム５０２では、接着シート５９０によって装置の取り付け面５６８および屈曲トレイ５０４の底部に交互に取り付けられた複数のスクリーン印刷された電気活性ポリマアクチュエータフレーム５８８に、電気活性ポリマ層５８６が分布されている。屈曲部５７０は、便宜上かつ明確にするために記号で示されている。一実施形態において、停止部５７２、５７４は、可能であれば提供されるが、定格負荷のもとで動質量の自由な動作を許容する。移動停止部５７２、５７４は、屈曲部５７０および電気活性ポリマアクチュエータ５０６の過剰な伸長および損傷を防止する。本明細書で提示した屈曲部５７０の実施形態は、屈曲トレイ５０４から質量体５０８を引き抜くことが損傷を引き起こしうる−Ｚ方向を除く全部の軸に組み込まれた移動停止部に好適である。正のＺ方向（＋Ｚ方向）の停止部が、アクチュエータフレーム自体を用いて実装されてよく、アクチュエータフレームは、例えば、１．５ｍまでの業界標準の落下試験に耐えるのに適しうる。
【００９５】
以下の表４は、一実施形態に従って、屈曲トレイ停止部５７２、５７４の隙間を示す。表４の隙間Ａ〜Ｆは、おおよその値の例であり、図５１で同様の符号を付された隙間に対応する。
【００９６】
【表４】
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【００９７】
図５２は、一実施形態に従って、屈曲連結部５９４の梁モデルを示す概略図５９２である。屈曲連結部５９４は、多くの材料で製造できる。一実施形態において、屈曲連結部５９４は、例えば、ハンドセットの背面ケースまたはタブレットのバッテリ取り付けフレームに組み込まれた射出成形の１組の連結部を用いて、プラスチックで製造されてよい。かかる実施形態において、屈曲連結部の材料は、例えば、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンなど、成形可能なプラスチックであってよいが、それに限定されない。より大きいＺ方向の負荷が掛かる、および／または、スペースが限られている用途では、屈曲連結部５９４は、金属シートで製造されてもよく、プラスチックフレームに成形されうる。あるいは、型打ちした金属シートサブアセンブリ全体を製造して、より大きいＺ方向の負荷が必要な用途で用いてもよい。個々の連結部５９４の剛性は、例えば、図５２に示した梁モデルを用いて算出可能であり、対応する力（ＦｘおよびＦｚ）の下でのＸおよびＺ方向の屈曲連結部５９４の偏位（ｄｘおよびｄｚ）がモデル化される。
【００９８】
図５３は、質量体５０８を取り除いた屈曲トレイ５０４の一実施形態を示す図である。屈曲トレイ５０４は、取り付け面に固定された剛性の外側フレーム５９６を備える。図の実施形態において、剛性の外側フレーム５９６は、１または複数の開口部５９８に挿入された留め具によって、取り付け面に固定されてよい。典型的な留め具としては、ねじ、ボルト、リベットなどが挙げられる。図５３に示すように、屈曲トレイ５０４は、屈曲トレイ５０４がＸおよびＹ方向に移動してユーザの振動電気活性ポリマ刺激を提供することを可能にする屈曲部５７０を備える。また、屈曲部５７０および電気活性ポリマアクチュエータの過剰な伸長および損傷を防止するためのＸ移動停止部５７２およびＹ移動停止部５７４が図示されている。
【００９９】
図５４は、屈曲トレイ５０４の一実施形態の部分５９９を示す。部分５９９は、屈曲部５７０の直径φ１およびφ２、２つの屈曲部の間の重複距離ｄ１、ならびに、屈曲部５７０の湾曲部分の間の距離ｄ２を示す。表５は、一実施形態に従って、参照設計屈曲部のパラメータを提供しており、ここで提供されている値は、おおよその値の例である。
【０１００】
【表５】
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【０１０１】
本明細書に記載の実施形態は、実施例を説明するものであること、そして、機能要素、論理ブロック、プログラムモジュール、および、回路は、記載された実施形態に矛盾しない様々な他の方法で実装されうることを理解されたい。さらに、かかる機能要素、論理ブロック、プログラムモジュール、および、回路によって実行される動作は、与えられた実装例のために複合および／または分離されてもよく、より多いまたは少ない数の構成要素またはプログラムモジュールによって実行されてもよい。本開示を読めば、当業者にとってわかるように、本明細書に記載および図示された各実施形態は、本開示の範囲から逸脱することなく、他のいくつかの実施形態のいずれかの特徴から容易に分離できるまたはそのような特徴と容易に組み合わせることができる個別の構成要素および特徴を有する。記載された任意の方法は、記載された工程の順に実行されてもよいし、論理的に可能な任意の他の順序で実行されてもよい。
【０１０２】
いくつかのモジュールおよび／またはブロックが例として記載されうるが、より多いまたは少ない数のモジュールおよび／またはブロックが用いられてもよく、実施形態の範囲内であることがわかる。さらに、記載を容易にするために、モジュールおよび／またはブロックに関して様々な実施形態を記載しうるが、かかるモジュールおよび／またはブロックは、１または複数のハードウェアコンポーネント（例えば、プロセッサ、デジタル信号プロセッサ、プログラマブル論理デバイス、特定用途向け集積回路、回路、レジスタ）、ソフトウェアコンポーネント（例えば、プログラム、サブルーチン、ロジック）、および／または、それらの組み合わせによって実施されてもよい。
【０１０３】
実施形態の完全な理解を提供するために、多くの具体的な詳細事項が記載されている。しかしながら、当業者にとって明らかなように、実施形態は、これら具体的な詳細事項がなくとも実施可能である。また、実施形態が不明瞭になることを避けるため、周知の動作、構成要素、および、回路の詳細な説明は省略した。本明細書に開示されている具体的な構造および機能の詳細は、代表的なものであり、実施形態の範囲を限定するものではないことを理解されたい。
【０１０４】
「一実施形態」または「実施形態」への任意の参照は、その実施形態に関連して記載された特定の特徴、構造、または、特性が、少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味することに注意されたい。明細書に「一実施形態において」または「一態様において」という表現があっても、すべてが同じ実施形態に言及しているわけではない。
【０１０５】
いくつかの実施形態は、「結合された（ｃｏｕｐｅｄ）」および「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」という表現ならびにそれらの派生語を用いて説明されることに注意されたい。これらの用語は、互いの同義語になるよう意図されていない。例えば、いくつかの実施形態は、２以上の要素が直接物理的または電気的に互いに接することを示すために用語「接続された」および／または「結合された」を用いて説明されうる。しかしながら、用語「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は、２以上の要素が互いに直接的に接していないが互いに協働または相互作用することも意味しうる。
【０１０６】
本明細書で明確に記載または図示されていなくても、当業者であれば、本開示の原理を具現化し、その範囲内に含まれる様々な構成を考案できることを理解されたい。さらに、本明細書に記載されたすべての例および条件語は、主に、本開示に記載された原理と技術の促進に寄与する概念とを読み手が理解する助けとなるよう意図されており、かかる具体的に記載された例および条件に限定されると解釈されるべきではない。また、原理、実施形態、ならびに、実施形態およびその具体例を記載するすべての記述は、構造的等価物および機能的等価物の両方を含むよう意図されている。さらに、かかる等価物は、現在周知の等価物および将来開発される等価物の両方を含み、すなわち、構造に関わらず、同じ機能を実行する開発された任意の要素を含む。したがって、本開示の範囲は、代表的な実施形態および本願で図示および記載された実施形態に限定されないよう意図されている。むしろ、本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲によって具体化される。
【０１０７】
本開示の文脈において（特に、以下の特許請求の範囲の文脈において）用いられた用語「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ（前記）」、および、同様の指示語は、別段の指示もなく、文脈との明らかな矛盾もない限りは、単数および複数の両方を網羅すると解釈されるべきである。本明細書での値の範囲の記載は、範囲内の各値に個々に言及する簡便な方法として機能するよう意図されているにすぎない。特に指定のない限り、各値は、個々に記載されているかのように明細書に組み込まれる。本明細書に記載のすべての方法は、別段の指示もなく、文脈との明らかな矛盾もない限りは、任意の適切な順序で実行できる。本明細書におけるあらゆる例、または、例示語（例えば、「など」、「その場合」、「例えば」）の利用は、本発明をより理解しやすくするよう意図されたものにすぎず、請求されている本発明の範囲を限定するものではない。本明細書中の表現は、本発明の実施に不可欠な非請求の要素を示すものと解釈されるべきではない。さらに、請求項は、任意選択的な要素を排除するよう書かれうることに注意されたい。したがって、この記述は、「だけで（ｓｏｌｅｌｙ）」、「のみ（ｏｎｌｙ）」など、排他的な用語を請求項の要素の記載と併せて利用するため、または、消極的な限定を利用するための先行する基礎として機能するよう意図される。
【０１０８】
本明細書に開示された代替的な要素または実施形態のグループ分けは、限定と解釈されるべきではない。各グループの一員は、個々に、もしくは、グループの他の一員または本明細書に記載の他の要素との任意の組み合わせで参照および請求されてよい。グループ内の１または複数の一員が、簡便および／または特許性の理由で、グループに含まれうる、または、グループから排除されうることが予期される。
【０１０９】
以上、実施形態のいくつかの特徴について説明したが、当業者であれば、多くの変形物、置換物、変更物、および、等価物に想到する。したがって、添付の特許請求の範囲は、開示の実施形態および添付の請求項の範囲にある変形物および変更物すべてを網羅するよう意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【国際調査報告】
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