(57)【要約】【課題】比較的大きいストロークでの使用が可能であるとともに、押圧操作力を種々調整可能な高分子トランスデューサ、これを用いたキー装置及び管楽器を提供する。【解決手段】伸縮自在な高分子膜の両面に電極が配置された帯板状の伸縮素子４を強度部材５の片面に積層した状態でコイル状に成形してなるコイルバネ２と、前記伸縮素子４の電極間に電圧を印加する制御手段３とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伸縮自在な高分子膜の両面に電極が配置された帯板状の伸縮素子を強度部材の少なくとも片面に積層した状態でコイル状に成形してなるコイルバネと、前記伸縮素子の電極間に電圧を印加する制御手段とを備える高分子トランスデューサ。
【請求項２】
前記伸縮素子は、強度部材の一方の面に設けられていることを特徴とする請求項１記載の高分子トランスデューサ。
【請求項３】
前記伸縮素子は、コイルバネの外周面に配置されていることを特徴とする請求項２記載の高分子トランスデューサ。
【請求項４】
前記強度部材には、長さ方向に沿って溝が形成され、該溝の中に前記伸縮素子が保持されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の高分子トランスデューサ。
【請求項５】
前記伸縮素子は、前記高分子膜が電極を介して複数積層されてなることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の高分子トランスデューサ。
【請求項６】
押圧操作されるキー部と、請求項１から５のいずれか一項に記載の高分子トランスデューサとを備え、該高分子トランスデューサのコイルバネが前記キー部の押圧方向に沿って連設されていることを特徴とするキー装置。
【請求項７】
管楽器を構成する管体に接続されるシリンダと、該シリンダ内を往復動することにより前記管体の開閉を行うピストンと、請求項６記載のキー装置とを備え、該キー装置のキー部が前記ピストンに接続されていることを特徴とする管楽器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子トランスデューサ、この高分子トランスデューサを用いたキー装置及び管楽器に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型機器に使用されるアクチュエータ等のトランスデューサとして、電気活性ポリマーを用いた高分子トランスデューサが知られている。この高分子トランスデューサは、シリコンゴムやアクリル樹脂等の絶縁性高分子膜の両側に導電性伸縮材からなる電極を配置してなる伸縮素子を利用したものであり、その伸縮素子は、両電極間に電圧を印加すると、これら電極間の静電引力によって電極の対向方向に引き合い、その結果高分子膜が厚さ方向に収縮し、面方向に伸張する性質を有している。
この伸縮素子から力を取り出せるようにしたトランスデューサとして、特許文献１では、伸縮素子における両電極間の対向方向に沿う金属薄膜を片面に貼り合わせたユニモルフ構造のトランスデューサが提案されており、両電極間に電圧を印加することにより、金属薄膜を撓ませるように屈曲動作させることができるようになっている。
【０００３】
一方、特許文献２に示されるように、マウスピースを介して吹奏演奏しつつ、音高や音程に応じて複数のバルブのキーを押圧操作することにより演奏を行えるようになっているトランペットやチューバ、ホルン等の管楽器においては、初心者や障害者、力の弱い子供あるいは高齢者にとってはキーが重く、容易にキー操作できるようにすることが望まれ、そのキー操作部にアクチュエータを適用し、演奏の負担にならないようにすることが検討されている。
【特許文献１】特開２００６−２０４０９９号公報
【特許文献２】特開２０００−１５５５６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、アクチュエータとして特許文献１記載の高分子トランスデューサを用いた場合では、金属薄膜を撓ませる方向の屈曲動作しか行わせることができないため、これを管楽器等のキー装置に適用したとしても、押圧操作のためのストロークを確保することが難しいとともに、その操作感の調整にも限界がある。
【０００５】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、比較的大きいストロークでの使用を可能とし、押圧操作力を種々調整可能な管楽器への適用を容易にした高分子トランスデューサを提供するとともに、これを用いたキー装置及び管楽器の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の高分子トランスデューサは、伸縮自在な高分子膜の両面に電極が配置された帯板状の伸縮素子を強度部材の少なくとも片面に積層した状態でコイル状に成形してなるコイルバネと、前記伸縮素子の電極間に電圧を印加する制御手段とを備える高分子トランスデューサである。
このような構成とすることにより、電極間の静電引力によって伸縮素子が面方向に伸縮すると、コイルバネは、そのコイル径を変化させながらコイル長を伸縮させることができる。このとき、コイルバネの形状としたことにより、伸縮素子の伸縮がコイルのらせん方向に生じ、そのらせんの長さがコイルの全体長さに比べて十分に大きくなるから、伸縮長さが大きくなり、その結果、コイルバネとして大きなストロークを確保することができる。そして、このコイルの長さ、巻き数、バネ定数、印加電圧等を適宜の値に設定することにより、所望のバネ特性のものに調整することができる。
なお、強度部材としては、コイルバネのコイル形状を保持できる程度に、伸縮素子よりも弾性率の高い材料が選択される。
【０００７】
この高分子トランスデューサにおいて、前記伸縮素子を強度部材の一方の面、特にコイルバネの外周面に配置した構成とすることが好ましい。
この伸縮素子をコイルバネの外周面に配置した構成とすると、電圧を印加して伸縮素子を伸張させることにより、コイルバネのコイル径を小さくしながらコイルの長さを大きくすることになる。
また、前記高分子トランスデューサにおいて、前記強度部材には、長さ方向に沿って溝が形成され、該溝の中に前記伸縮素子が保持されている構成としてもよい。
このように伸縮素子を溝の中に収納した状態に構成すると、溝の内側面によって伸縮素子の幅方向の伸張が拘束され、長さ方向に効果的に伸張させることができる。
また、前記伸縮素子として、前記高分子膜が電極を介して複数積層されてなる構成とするようにしてもよく、複数積層した分、バネ定数を大きくすることができる。
【０００８】
そして、このような高分子トランスデューサを用いたキー装置は、押圧操作されるキー部と、前記高分子トランスデューサとを備え、該高分子トランスデューサのコイルバネが前記キー部の押圧方向に沿って連設されていることを特徴とする。
また、管楽器は、管楽器を構成する管体に接続されるシリンダと、該シリンダ内を往復動することにより前記管体の開閉を行うピストンと、前記キー装置とを備え、該キー装置のキー部が前記ピストンに接続されていることを特徴とする。
すなわち、高分子トランスデューサがコイルバネの形状であることから、ストロークも大きく確保することができ、また、そのバネ特性を調整しておくことで、任意の操作感を得ることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の高分子トランスデューサによれば、コイルバネの形状としたことにより、大きなストロークを確保することができるとともに、そのコイルの長さ、巻き数、バネ定数、印加電圧等を適宜の値に設定することにより、所望のバネ特性のものに調整することができる。
そして、この高分子トランスデューサを用いたキー装置、管楽器によれば、キー部の押圧操作時のストロークが大きく、かつ、バネ特性の調整により任意の操作感を得ることができ、一般的な操作者だけでなく、初心者や障害者、力の弱い子供あるいは高齢者にも容易にキー操作することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の高分子トランスデューサ、キー装置及び管楽器の実施形態について、図面に基づいて説明する。
この実施形態の高分子トランスデューサ１は、図１に示すように、コイルバネ２と、該コイルバネ２を伸縮させるための制御手段３とからなり、そのコイルバネ２は、帯板状の伸縮素子４と、該伸縮素子４の片面に積層された強度部材５とが伸縮素子４を外周面に配置した状態でコイル状に成形された構成とされている。
【００１１】
前記伸縮素子４は、伸縮自在な複数層の高分子膜６と層状の電極７とが交互に積層されるとともに、最外層に電極７の層が配置された構成とされている。図２に前記コイルバネ２を直線状に展開した帯板Ａの状態を示しているが、この図２においては伸縮素子４の高分子膜６は１層のみ、電極７はその両側に一対のみを示している。
前記高分子膜６は、誘電性を有して弾性変形可能な高分子材料として、例えば、シリコーン樹脂やアクリル系ポリマー等の高分子材料をスピンコータにより例えば５μｍ〜５０μｍ程度の厚さに成形したものから構成されている。
また、電極７は、例えば、炭素粒子を含む溶剤を高分子膜６の両面に例えば５μｍ〜１５μｍの厚さにそれぞれ吹きつけて構成されており、伸縮素子４の伸縮変形に追従し得る伸縮性を有している。
【００１２】
一方、前記強度部材５は、例えばポリエチレン樹脂等の比較的軟質で変形容易な材料ではあるが、前記伸縮素子４よりは弾性率が高い材料から構成され、コイルバネ２のコイル形状を保持している。図１から図３に示した例では、強度部材５はコイルバネ２の帯板Ａの幅と同じ幅の角形横断面を有している。
そして、コイルバネ２は、帯板Ａの幅方向をコイルの長さ方向とするようにして帯板Ａをねじりながら丸めてコイル状に成形することにより構成されている。
前記制御手段３は、伸縮素子４の各電極７に接続され、高分子膜６を介在させて対向する一対の電極７間に電圧を印加するためのものであり、可変電源８とスイッチ９とから構成されている。
【００１３】
このように構成した高分子トランスデューサ１は、制御手段３によって伸縮素子４の各高分子膜６を介して対をなしている電極７間にそれぞれ電圧を印加すると、これら電極７間に静電引力が作用して、その間の高分子膜６が厚さ方向に収縮しながら面方向に伸張する。この場合、伸縮素子４が帯板状でコイル状に成形されているため、主として帯板の長さ方向、言い換えればコイルのらせん方向に伸張して、コイルバネ２の全体の長さを大きくする方向に伸張することになる。このとき、コイルバネ２の内周面に裏打ちされている強度部材５には電圧印加による伸びは生じないから、伸縮素子４は、全体としてコイルバネ２の径を小さくしながらコイル長を大きくすることになる。
【００１４】
そして、この高分子トランスデューサ１は、伸縮素子４をコイルバネ２としたことにより、コイル長に比べて帯板のらせん方向の長さが大きくなっており、その長い帯板に生じる伸縮長が大きいことから、コイル長の伸縮、つまりストロークも大きくすることができるのである。また、このコイルバネ２のバネ特性は、伸縮素子４や強度部材５の材料、諸寸法を変化することにより調整できるのはもちろん、印加電圧を制御することによって調整することができ、これらを適宜の値に設定することにより、所望のバネ特性のものを得ることができるものである。
【００１５】
このような高分子トランスデューサ１のバネ特性は、次のようにして決められる。
この高分子トランスデューサ１において、コイルバネ２として成形する前の図２に示す帯板Ａの状態の場合、両電極７間に電圧Ｖを印加したときにかかる静電引力Ｆは、帯板Ａの幅をｂ、長さをＬ、高分子膜６の厚さをｄ、強度部材５の厚さをｈとすると、次の（１）式となる。
【００１６】
【数１】
2008233795.tif 000003
【００１７】
ここで、Ｃは静電容量であり、ε0は真空の誘電率（＝８．８５×１０−１２Ｆ／ｍ）、εｒは高分子膜６の比誘電率（例えばεｒ＝３）である。なお、Ｓは帯板Ａの面積（Ｌ×ｂ）を示す。
そして、電圧を印加したときに強度部材５にかかる応力をσとすると、この応力σは、静電引力Ｆを帯板Ａの面積で割った次の（２）式により求められる。
【００１８】
【数２】
2008233795.tif 000004
【００１９】
次いで、この帯板Ａを図１に示すように伸縮素子６を外周側に配置した状態として、コイル長をＣＬ、平均コイル径をＲ、コイルの巻き数をＮとしたコイルバネ２に成形する。
このコイルバネ２の状態で高分子膜６にかかる静電引力Ｆによりコイルに発生するモーメントをＭとすると、コイルがねじられる角度（ねじり角度と称す）φ（°）は、その縦弾性係数（ヤング率）をＥとすると、次の（３）式によって表される。
【００２０】
【数３】
2008233795.tif 000005
【００２１】
ここで、モーメントＭと応力σとの関係は、（４）式で示される。
【００２２】
【数４】
2008233795.tif 000006
【００２３】
したがって、前記（２）式、（４）式を（３）式に代入すると、ねじり角度φ（°）は（５）式となる。
【００２４】
【数５】
2008233795.tif 000007
【００２５】
一方、コイルバネ２の平均コイル径Ｒと、巻き数Ｎ、帯板の長さＬの関係は次式（６）で表される。
【００２６】
【数６】
2008233795.tif 000008
【００２７】
また、バネ定数Ｋ（Ｎ／ｍ）は次の（７）式で表される。
【００２８】
【数７】
2008233795.tif 000009
【００２９】
ここでγは係数であり、帯板Ａの幅ｂと強度部材５の厚さｈにより決まる値である。
そして、コイル長ＣＬは、コイルの厚み（帯板Ａの幅ｂ）の０．５倍の隙間があるとして、（８）式の通りとなる。
【００３０】
【数８】
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【００３１】
つまり、高分子トランスデューサ１のコイルバネ２に電圧Ｖを印加すると、（５）式に示されるねじり角度φの変位が発生し、それに伴い巻き数Ｎが変化する。帯板Ａとしての全長Ｌは変化しないから、（６）式で示される平均コイル径、（８）式のコイル長、（７）式のバネ定数がそれぞれ変化することになるのである。
【００３２】
次に、このように構成された高分子トランスデューサ１を管楽器のキー装置に適用した実施形態について説明する。
この管楽器１１は、図３に示すトランペットであり、ピストン式の３個のバルブ１２を操作するキー装置１３を有している。
このキー装置１３は、図４及び図５に示すように、上下方向に沿う筒状のシリンダ１４と、このシリンダ１４内に配置されて往復動可能なピストン１５と、ピストン１５の上部に連結されるとともに奏者によって押圧操作される円盤状のキー部１６と、前記高分子トランスデューサ１とを備えており、該高分子トランスデューサ１のコイルバネ２がシリンダ１４の内底部にピストン１５を上方に付勢するように設けられた構成である。
【００３３】
そして、前記シリンダ１４に、その一側部に上下に離間して第１管体１７と第２管体１８とが接続されるとともに、１８０°離れた他の側部に第２管体１８を延長するように第３管体１９が接続されている。また、内部のピストン１５には、第１管体１７と第３管体１９とを連通状態とするための上部孔２０と、第２管体１８と第３管体１９とを連通状態とするための下部孔２１とが上下に離間して形成されており、ピストン１５の位置によっていずれかの孔２０，２１が管体１７〜１９を連通状態とする構成とされ、ピストン１５の位置を変えることにより、管路の長さを変えて音高調整を行えるようになっている。前記バルブ１２は、これら管体１７〜１９、シリンダ１４、ピストン１５によって構成される。
図中、符号２２はピストン１４の上昇位置を規制するストッパを示している。
【００３４】
図４は高分子トランスデューサ１のコイルバネ２に電圧を印加していない状態を示しており、この状態でキー部１６を押圧操作したときは、コイルバネ２の材料自体の弾性に基づく操作反力が作用する。
そして、図５に示すように高分子トランスデューサ１のコイルバネ２に電圧を印加すると、コイルバネ２が伸張しようとするが、シリンダ１４内の配置長さが拘束されているため、コイルバネ２としては長さを変化させることなく、その付勢力を強める方向に作用する。したがって、この状態でキー部１６を押圧操作すると、その操作反力が図４に示す状態よりも強められることになる。
【００３５】
このようにバルブ１２のキー装置１３に高分子トランスデューサ１を用いたことにより、コイルバネ２が大きなストロークを確保することができるのはもちろん、その印加電圧を設定して、押圧操作時の反力を適宜の大きさに調整することができるものである。
つまり、図６に（イ）（ロ）（ハ）で示す種々のバネ特性のものを表したように、キー部１６を押圧操作する際の押し初めの力（図中Ｂで示すストロークが０の初期位置のコイルバネの付勢力）を任意に設定することができるとともに、キー部１６を押し切るまでのストローク範囲内での押圧力の変化（図の傾き）も任意に設定し得て、種々の操作感のものを得ることができるものである。
【００３６】
また、図７は本発明の高分子トランスデューサの他の実施形態を示している。この高分子トランスデューサ３１は、そのコイルバネ３２における強度部材３３が、伸縮素子４の幅よりも大きく形成され、強度部材３３の外周部に形成した溝３４の中に伸縮素子４を保持した構成とされている。その他の構成は前記一実施形態のものと同様であり、同一符号を付して説明を省略する。
前記伸縮素子４は、電極７に電圧を印加すると面方向に伸張するのであり、前述したように主として帯板の長さ方向に伸長するが、若干は幅方向にも伸張することになる。
したがって、図６の実施形態のように構成した高分子トランスデューサ３１は、コイルバネ３２における伸縮素子４が強度部材３３の溝３４の中に保持されていることから、伸縮素子４の幅方向の伸張が溝３４の内側面によって拘束され、長さ方向の伸張を有効に行わせることができるものである。
【実施例】
【００３７】
以上のような構成の高分子トランスデューサにおけるコイルバネのバネ特性の具体例について説明する。
コイルバネとしては図１に示す一実施形態の形状を採用する。そして、その伸縮素子として高分子膜を電極を介して２０層積層したものとし、ポリエチレン樹脂からなる強度部材を裏打ちした。伸縮素子のヤング率ＥはＥ＝７．６×１０８Ｎ／ｍ２であり、帯板の幅ｂがｂ＝２ｍｍ、長さＬがＬ＝９４２ｍｍ、高分子膜の各層の厚さｄがｄ＝１０μｍ、強度部材の厚さｈがｈ＝１ｍｍとした。電極の厚さは１０μｍである。
この素材を平均コイル径ＲがＲ＝１０ｍｍ、巻き数ＮがＮ＝３０回のコイルバネに成形した。前記（７）式における係数γは、ｂ／ｈ＝２の長方形断面の場合、γ＝約７とされる。
そして、印加電圧を上昇していった場合のねじり角度φ、巻き数Ｎ、平均コイル径Ｒ、コイル長ＣＬ、バネ定数Ｋの変化を表にすると、表１の通りとなる。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
この表１から明らかなように、この高分子トランスデューサは、印加電圧を変えることによってコイル長及びバネ定数が変化することがわかる。
一方、コイル長が変化しないようにコイルバネの両端間を９０ｍｍの間隔に拘束した状態として印加電圧を上昇していった場合の力Ｐの変化を表にすると、表２の通りとなる。この表２において、コイル長ＣＬには、コイルバネの両端位置を拘束していないとしたときの長さを表示している。
【００４０】
【表２】
2008233795.tif 000012
【００４１】
この表２に示すように、コイルバネには力Ｐが発生している。
そして、前記表１の結果も照らすと、この高分子トランスデューサは、ストロークが大きく、その割に発生する力は小さいものであることがわかる。逆に言えば、小さい力で大きなストロークを生じさせることができるのである。
【００４２】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、前記実施形態では、コイルバネの外周側に伸縮素子を配置し、内周側に強度部材を配置したが、逆に、コイルバネの外周側に強度部材を配置し、内周側に伸縮素子を配置したものとしてもよい。その場合は、電圧を印加した状態で縮んでおり、電圧の印加を解除するとコイル径を小さくしながら伸張することになる。
また、伸縮素子の片面に強度部材を積層したもの（ユニモルフ型）のみを示したが、伸縮素子を強度部材の両面に積層したもの（バイモルフ型）のいずれの構成も含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の高分子トランスデューサの一実施形態を示す縦断面である。
【図２】図１のコイルバネを展開して帯板としたもので、（ａ）が正面図、（ｂ）が平面図である。
【図３】図１の高分子トランスデューサを適用した管楽器の実施形態としてトランペットを示す斜視図である。
【図４】図３のトランペットにおけるキー装置の実施形態を示しており、高分子トランスデューサに電圧を印加していない場合で、（ａ）が自由な状態、（ｂ）が押圧操作した状態を示す縦断面図である。
【図５】図４に示すキー装置において、高分子トランスデューサに電圧を印加した場合で、（ａ）が自由な状態、（ｂ）が押圧操作した状態を示す縦断面図である。
【図６】本発明の高分子トランスデューサに関して種々のバネ特性のものを示したグラフである。
【図７】本発明の高分子トランスデューサの他の実施形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…高分子トランスデューサ、２…コイルバネ、３…制御手段、４…伸縮素子、５…強度部材、６…高分子膜、７…電極、８…可変電源、９…スイッチ、１１…楽器、１２…バルブ、１３…キー装置、１４…シリンダ、１５…ピストン、１６…キー部、１７，１８，１９…管体、２０，２１…孔、２２…ストッパ、３１…高分子トランスデューサ、３２…コイルバネ、３３…強度部材、３４…溝
【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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