(57)【要約】【課題】無振動型の薄膜スピーカーを実現するため、大面積で形成できるフレキシブルなスピーカー素子を提供する。【解決手段】本発明に係るスピーカー素子は、基板１と、前記基板１の第１の面に形成され有機材料からなる断熱層２と、前記断熱層上に形成され、駆動信号により発熱する薄膜である発熱層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】
基板と、
前記基板の第１の面に形成され有機材料からなる断熱層と、
前記断熱層上に形成され、駆動信号により発熱する薄膜である発熱層と、を備えるスピーカー素子。
【請求項２】
前記基板は、前記断熱層よりも熱伝導率が大きい材料からなる請求項１に記載のスピーカー素子。
【請求項３】
前記基板の第２の面に形成され有機材料からなる第２の断熱層と、
前記第２の断熱層上に形成され、駆動信号により発熱する薄膜である第２の発熱層と、を備える請求項１又は２に記載のスピーカー素子。
【請求項４】
前記基板の第２の面に前記駆動信号を発生させる駆動回路を備える、請求項１又は２に記載のスピーカー素子。
【請求項５】
前記駆動回路から前記発熱層への配線が、前記基板及び前記断熱層を貫通して形成される、請求項４に記載のスピーカー素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、スピーカー素子に関し、特に、熱のエネルギーを音のエネルギーに変換する熱音響効果を用い、機械的な振動を必要とせず幅広い周波数特性を有するフレキシブルなスピーカー素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報表示用ディスプレイの大画面・高精細・スリム化に伴い、ディスプレイ用の基板や表示素子は、極薄ガラスや薄型液晶、有機EL（Electroluminescence）素子などを用いた薄膜化が進められている。近年、超薄型・軽量で携帯性・収納性に優れたディスプレイの実現を目指して、薄いプラスチックフィルム上に比較的低温で形成可能な有機半導体（有機薄膜トランジスターや有機EL）を用いた「フレキシブルディスプレイ」の研究が加速している。しかしテレビ用のディスプレイにするためには、映像のみならず音声の出力も不可欠であり、スピーカーの薄膜化・柔軟化も求められる。
【０００３】
しかし、従来のスピーカーは機械的な振動部を有し、フレキシブルディスプレイ上に直接形成して使用した場合、ディスプレイ自体が超薄膜・軽量のためスピーカーの振動に共振を起こし、画面が揺れてしまう。また、構造上完全な超薄膜素子の作製は難しい。もし機械的振動のないフレキシブルなスピーカーが実現できれば、その優れた構造を活かしてシート型大画面テレビの実現可能性が大きく高まることになる。
【０００４】
これまでに無振動型音波放出素子の一例として、機械的な振動部を持たず、熱の上昇・下降を空気の疎密波に変換する「熱誘起超音波放出素子」が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。これは、例えば単結晶シリコン基板上に熱物性の大きく異なるナノ結晶シリコン層と表面電極を設けて、表面電極で発生した熱の大小を空気側に伝えることで音波を発生させるものである（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−７３１９７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Nature Vol.400, 26 August, pp.853-855 (1999).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、単結晶シリコンは大面積での形成が困難で、非常に硬いため、扱う際に壊れやすいというデメリットを持つ。さらに単結晶シリコンは非常に高価であり、今後は更なる価格高騰が予想されている。
【０００８】
したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、無振動型の薄膜スピーカーを実現するため、大面積で形成できるフレキシブルなスピーカー素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した諸課題を解決すべく、本発明に係るスピーカー素子は、基板と、前記基板の第１の面に形成され有機材料からなる断熱層と、前記断熱層上に形成され、駆動信号により発熱する薄膜である発熱層と、を備える。
【００１０】
また、前記基板は、前記断熱層よりも熱伝導率が大きい材料からなることが好ましい。
【００１１】
また、前記基板の第２の面に形成され有機材料からなる第２の断熱層と、前記第２の断熱層上に形成され、駆動信号により発熱する薄膜である第２の発熱層と、を備えることが好ましい。
【００１２】
また、前記基板の第２の面に前記駆動信号を発生させる駆動回路を備えることが好ましい。
【００１３】
また、前記駆動回路から前記発熱層への配線が、前記基板及び前記断熱層を貫通して形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、無振動型の薄膜スピーカーを実現するため、大面積で形成できるフレキシブルなスピーカー素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るスピーカー素子の概略構成を示す図である。
【図２】スピーカー素子の動作原理を示す図である。
【図３】スピーカー素子の作成手順を示す図である。
【図４】試作したスピーカー素子の外観写真を示す図である。
【図５】試作したスピーカー素子の音響特性を示す図である。
【図６】スピーカー素子の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以降、諸図面を参照しながら、本発明の実施態様を詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態に係るスピーカー素子の概略構成を示す図である。スピーカー素子は、土台となる基板１と、基板１の表面に形成され有機材料からなる断熱層２と、断熱層２上に形成され駆動信号により発熱する薄膜である発熱層３と、を備える。また、図示の通り、発熱層３に駆動信号を印加するため、スピーカー素子は更に入力端子４を備えることができる。
【００１８】
基板１は、発熱層３で発生する熱の直流成分を逃がす放熱層として機能するものであって、例えば、厚みが0.01〜1.0mm程度のアルミニウムや銅などの金属薄膜もしくは金属箔、又はグラファイトなどの炭素系薄膜フィルムなどにより構成することが可能である。
【００１９】
断熱層２は、発熱層３で発生する熱に対する断熱材として作用するものであって、有機材料からなるものである。例えば、断熱層２を構成する有機材料には、基板１に比べて熱伝導率が劇的に少ないものを選ぶと良く、その厚みは放出したい音波によって可変であり、およそ0.001〜0.1mm程度が好適である。断熱層２を構成するものとして、一般的なポリイミドフィルムやポリプロピレンフィルム、ポリエチレンナフタレートフィルムやポリエチレンテレフタレートフィルム、オレフィン系樹脂、フッ素系樹脂、シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂など有機材料を用いた多くのフィルムが適用できる。
【００２０】
発熱層３は、印加される駆動信号（電流・電圧）により発熱し、熱音響効果による音を発生させるものである。発熱層３を構成する材料には、アルミニウム、タングステン、タンタル、クロム、モリブデン、白金、金、銀、銅などの金属膜、インジウム錫酸化物、インジウム亜鉛酸化物などの透明導電膜、金属含有の導電性材料の薄膜などが好適である。この厚みは発熱層３に用いる金属の抵抗値によって可変であり、およそ10〜100nmが好適である。
【００２１】
入力端子４は、必要に応じて形成されるものであり、入力端子４がある場合、入力端子４を通じて発熱層３に駆動信号を印加することが可能となる。なお、入力端子４がない場合、駆動信号は直接発熱層３に印加される。入力端子４は、例えば発熱層３と同様の方法および材料を用いて形成することができる。また、厚みは外部と配線するために発熱層３よりも厚く、およそ100〜500nmが好適である。
【００２２】
図２は、スピーカー素子の動作原理を示す図である。発熱層３に駆動信号（電流・電圧）が印加されると、発熱層３においてジュール熱が発生して発熱層３は高温になる。このとき、発熱層３に接触した空気は熱エネルギーを受け取り膨張する。このため、印加する駆動信号により発熱層３で発生するジュール熱を変化させて疎密波を発生させることにより、熱音響効果を用いたスピーカー素子は、音を発生させることが可能となる。
【００２３】
図２（ａ）は一般的な機械振動によるスピーカーと同じようにバイアスのない交流の音響信号を印加した場合の出力音波を示す図である。バイアスのない交流の音響信号を入力すると、交流信号の正負符号に関わりなく信号の振幅値に応じた発熱が起きるため、負の成分が正側に折り返された音波が発生することになる。すなわち、例えば周波数fの正弦波を入力すると、2倍の周波数2fの正弦波が出力される。
【００２４】
図２（ｂ）は、バイアスを加えた交流の音響信号を印加した場合の出力音波を示す図である。バイアスがある場合、入力信号が正の領域に限定され、入力信号の振幅値に応じた発熱が起きるため、例えば周波数fの正弦波を入力すると、周波数fとほぼ等しい音波が発生することになる。しかし、この場合、発熱層３には常に直流のバイアスが流れるため、スピーカー素子の表面温度が高温になり、また、駆動効率が低下するという課題がある。
【００２５】
図３は、スピーカー素子の作成手順を示す図である。まず、断熱層２上に発熱層３を形成する。この形成には、従来の真空成膜による蒸着法やスパッタリング法の他に、導電性ペーストや金属ナノ粒子含有材料などを印刷法で形成することができる。また、断熱層２と発熱層３の間には、層間の密着性を上げるために密着層を挿入しても良い。密着層の材料としては、SiO2や高分子膜が好適であり、厚みは10-500nmが好適である。次に、場合によって入力端子４を形成する。これらが形成された断熱層２を基板１と貼り合わせることによって、容易にフレキシブルなスピーカー素子を形成できる。この貼り合わせには、アクリル系やシリコーン系などの粘着剤またはエポキシ樹脂等の接着剤が利用できる。もし粘着樹脂を用いれば、基板１だけを後に剥離して別の断熱層に貼り合わせて新しいスピーカー素子として再利用することもでき、環境的にも優れる。
【００２６】
図４は、実際に試作したスピーカー素子の外観写真を示す図である。本試作では、膜厚1ミクロン〜1mm程度のポリイミドフィルムである断熱層２上に、真空度1×10^-4 Pa程度、成膜速度0.1〜1 nm/sの蒸着により、膜厚10〜100nmのアルミニウム薄膜である発熱層３を形成し、さらに、膜厚10ミクロン〜1mm程度のグラファイトシートである基板１を断熱層２に張り合わせてスピーカー素子を形成した。図４に示すとおり、試作したスピーカー素子は非常にフレキシブルである。スピーカー素子全体の厚みは0.2mm以下で非常に薄く、平面的に自由に形状を加工できることも特長である。
【００２７】
図５は、試作したスピーカー素子の音響特性を示す図である。試作したスピーカー素子に１０Ｖの駆動信号（バイアスなし）を印加したところ、１００Ｈｚの低周波数帯域から１０ＫＨｚ超の高周波数帯域まで、比較的線形な音圧が出力されることが確認された。すなわち、本発明にかかるスピーカー素子は周波数特性にも優れており、ダイナミックレンジも広く、パルス入力による応答も良いと考えられる。
【００２８】
このように、本実施形態によれば、スピーカー素子は、基板１と、基板１上に形成された断熱層２と、断熱層２上に形成された発熱層３とを備え、特に、断熱層２が有機材料からなるものである。これにより、本発明のスピーカー素子は、大面積で形成できるフレキシブルなスピーカー素子となり、無振動型の薄膜スピーカーを実現することが可能となる。
【００２９】
また、基板１は、断熱層２よりも熱伝導率が大きい材料からなるため、基板１はより効率的に発熱層３の発生させた熱を放出することが可能となる。すなわち、スピーカー素子全体の温度が低下するため、発音に関する効率を向上させることが可能となる。
【００３０】
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部やステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。
【００３１】
例えば、図６（ａ）は、両面から発音可能なスピーカー素子の一例を示す図である。図６（ａ）では、図１に示すスピーカー素子に加え、基板１の裏面に有機材料からなる断熱層２が形成され、当該断熱層２上には駆動信号により発熱する薄膜である発熱層３が形成されている。これにより、スピーカー素子は、両面から音波を放出することが可能となる。なお、図示の通り、発熱層３の表面にさらに入力端子４を形成することも可能である。
【００３２】
また、図６（ｂ）は、駆動回路５と一体化したスピーカー素子の一例を示す図である。図６（ｂ）では、図１に示すスピーカー素子に加え、基板１の裏面に発熱層３に印加する駆動信号を発生させる駆動回路５が形成される。これにより、駆動回路５と一体化したフレキシブルなスピーカー素子を実現できる。
【００３３】
また、図６（ｃ）は、駆動回路５及び配線６と一体化したスピーカー素子の一例を示す図である。図６（ｃ）では、図１に示すスピーカー素子に加え、基板１の裏面に発熱層３に印加する駆動信号を発生させる駆動回路５が形成され、さらに、駆動回路５から発熱層３への配線６が、基板１及び断熱層２を貫通して形成される。このように、基板１および断熱層２にスルーホールを形成し、基板１の裏面に駆動回路５や配線６を形成して表面の発熱層３と接続すれば、発熱層３の裏面を生かして大面積により多くのスピーカー素子を集積でき、音圧を容易に向上できる。また、配線６が周囲に広がらないため、スピーカー素子全体の大きさを小型化することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明によれば、非常に簡単な構造で、機械的振動を必要としない柔軟性のあるフレキシブルなスピーカー素子を容易に作製できる。
【符号の説明】
【００３５】
１  基板（例えば、金属泊や熱伝導フィルムなど）
２  断熱層（例えば、高分子フィルムなど）
３  発熱層（例えば、アルミニウム薄膜など）
４  入力端子（例えば、アルミニウム薄膜など）
５  電気・電子回路（例えば、スピーカー駆動回路など）
６  配線（例えば、金属薄膜など）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年1月31日(2013.1.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
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