(57)【要約】【課題】高電圧の音声信号を得る電気音響変換器、この電気音響変換器で駆動されるコンデンサーヘッドホンを提供する。【解決手段】電気音響変換器１０は、超磁歪部材２と、その各端部に配置した第一圧電素子４、第二圧電素子５と、第一圧電素子、超磁歪部材、第二圧電素子を直列に挟持する支持部材１と、超磁歪部材２の周囲に配置され音声信号に応じて超磁歪部材２の変位方向に沿った向きの磁界を発生する磁界生成部３と、を備え、第一圧電素子４と第二圧電素子５は、互いに極性が向かい合うように配置され、第一圧電素子４または第二圧電素子５の両端部が出力部１１，１２となっている。この出力部１１、１２を、振動板２１と、これに対向する固定電極２２，２３とを備えるコンデンサー型ヘッドホンユニットの固定電極２２，２３にそれぞれ接続することでコンデンサーヘッドホン２０とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界の変動に応じて変位する超磁歪部材と、
この超磁歪部材の変位方向各端部に配置された第一圧電素子及び第二圧電素子と、
前記第一圧電素子、前記超磁歪部材、前記第二圧電素子を直列に組み付けて挟持する支持部材と、
前記超磁歪部材の周囲に配置され、音声信号に基づく駆動電流の供給に応じて前記超磁歪部材の変位方向に沿った向きの磁界を発生する磁界生成部と、を備え、
前記第一圧電素子と前記第二圧電素子は、互いに極性が向かい合うように配置され、
前記第一圧電素子または第二圧電素子の両端部が出力部となっていることを特徴とする電気音響変換器。
【請求項２】
前記第一圧電素子及び前記第二圧電素子は、複数個を積層してなることを特徴とする請求項１記載の電気音響変換器。
【請求項３】
前記超磁歪部材、前記第一圧電素子及び前記第二圧電素子は、中央穴を有する環状体であることを特徴とする請求項１又は２記載の電気音響変換器。
【請求項４】
前記支持部材は、前記超磁歪部材と前記第一圧電素子及び前記第二圧電素子の前記中央穴に挿通してこれらを締結する固定ボルトであることを特徴とする請求項３記載の電気音響変換器。
【請求項５】
第一圧電素子と第二圧電素子の両端の端子が互いに接続されて出力部となっている請求項１乃至４のいずれかに記載の電気音響変換器。
【請求項６】
前記請求項１乃至５のいずれかに記載の電気音響変換器と、
振動板、及びこの振動板を挟んで対向配置した一対の固定電極の間のコンデンサー容量を音声信号に応じて変化させることにより、前記振動板を振動させて音声を生成するコンデンサー型ヘッドホンユニットと、を備え、
前記電気音響変換器の出力部を、前記コンデンサー型ヘッドホンユニットの一対の固定電極にそれぞれ接続し、
音声信号に対応して前記電気音響変換器の圧電素子で生成された信号電圧を、前記コンデンサー型ヘッドホンユニットの固定電極にそれぞれ印加することを特徴とするコンデンサーヘッドホン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気音響変換器と、この電気音響変換器を用いたコンデンサーヘッドホンに係り、詳しくは、昇圧トランスを用いることなく低い電圧の音声信号を高い電圧の音声信号に変換し、コンデンサー型ヘッドホンユニットにおける振動板と、この振動板を挟んで対向する一対の固定電極との間のコンデンサー容量を、音声信号に応じて変化させることにより振動板を振動させて音声を生成させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンデンサー型スピーカや圧電型スピーカを駆動するためには、高い駆動電圧を必要とする。たとえば、コンデンサーヘッドホンは、相対向する振動板と固定電極との間に、実効値１００Ｖ程度の高い電圧の音声信号を印加して駆動するようになっている。ところが、通常の音声信号は比較的低い電圧の信号であるため、音声信号レベルを実効値１００Ｖ程度の高い電圧にまで昇圧する必要がある。
【０００３】
一般的に音声信号の電圧を実効値１００Ｖ程度の高い電圧にまで昇圧するには、変成比率を例えば１：７０というように大きくする必要があり、変成比率の高い昇圧トランスが用いられている。また、スピーカを駆動するパワーアンプはなるべく安価であることが望ましく、そのため、このパワーアンプに変成比率の高い昇圧トランスを接続し、スピーカより音声を出力するようにしている。
【０００４】
昇圧トランスを用いたコンデンサーヘッドホンは、たとえば図４に示すような構造をしていて、図示のように結線されている。
図４において、コンデンサーヘッドホン５０は、１枚の振動板５１と、この振動板５１を挟んで両側に配置された一対の固定電極５２，５３とから構成されたコンデンサー型ヘッドホンユニットを備える。振動板５１は円形になっていて、その周縁部が振動板支持体５４によって支持されている。図４では、振動板５１と固定電極５２，５３が縦断面で示されている。一対の固定電極５２，５３は振動板５１に対して所定の間隙をおいて配置されている。振動板５１と固定電極５２，５３は、上記のような相対位置関係を保つように、図示されないユニットケースに内蔵されている。また、音声信号の信号源５５と、この信号源５５より出力された音声信号を昇圧する昇圧トランス５６を備える。この昇圧トランス５６にて昇圧された音声信号は、昇圧トランス５６における一方の出力端子より第一リード線５８によって前記固定電極５２に印加され、他方の出力端子より第二リード線５９によって前記固定電極５３に印加される。また、図４では、振動板５１に成極電圧を印加するための電源として電池５７が接続されている。ただし、コンデンサー型ヘッドホンユニットがエレクトレット型の場合、成極電圧を印加する必要はないので、電池５７を接続する必要もない。
【０００５】
ところが、音声信号の周波数は２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ程度であり、かかる周波数帯域の音声信号を上記のように大きな変成比率の昇圧トランスを用いて昇圧すると、周波数応答が劣化する難点がある。また、変成比率の大きいトランスは大きくかつ重くなるので、ヘッドホンの小型化、軽量化を阻害する要因となる。
【０００６】
そこで、昇圧トランスを用いることなく、圧電素子を用いることで高電圧を発生するようにした技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
しかしながら、上記特許文献１に記載されたものは、温度変化による昇圧効率の低下を防止するようした高電圧発生回路に関するものであって、本発明が意図するように、低い電圧の音声信号を高い電圧にまで昇圧する電気音響変換器に関するものではない。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−２５２７３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、昇圧トランスを用いることなく高電圧の音声信号を得ることができるようにした電気音響変換器及び、この電気音響変換器用いたコンデンサーヘッドホンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る電気音響変換器は、磁界の変動に応じて変位する超磁歪部材と、この超磁歪部材の変位方向各端部に配置された第一圧電素子及び第二圧電素子と、前記第一圧電素子、前記超磁歪部材、前記第二圧電素子を直列に組み付けて挟持する支持部材と、前記超磁歪部材の周囲に配置され、音声信号に基づく駆動電流の供給に応じて前記超磁歪部材の変位方向に沿った向きの磁界を発生する磁界生成部と、を備え、前記第一圧電素子と前記第二圧電素子は、互いに極性が向かい合うように配置され、前記第一圧電素子または第二圧電素子の両端部が出力部となっていることを最も主要な特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係るコンデンサーヘッドホンは、前記電気音響変換器と、振動板、及びこの振動板を挟んで対向配置した一対の固定電極の間のコンデンサー容量を音声信号に応じて変化させることにより、前記振動板を振動させて音声を生成するコンデンサー型ヘッドホンユニットと、を備え、前記電気音響変換器の出力部を、前記コンデンサー型ヘッドホンユニットの固定電極にそれぞれ接続し、音声信号に対応して前記電気音響変換器の圧電素子で生成された信号電圧を、前記コンデンサー型ヘッドホンユニットの固定電極にそれぞれ印加することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電気音響変換器によれば、音声信号に基づく駆動電流の供給に応じて磁界生成部が磁界を発生すると、この磁界の変動に応じて超磁歪部材が変位し、機械的な応力が発生する。この機械的な応力は、支持部材によって直列に組み付けて挟持された、超磁歪部材の変位方向各端部に配置された第一圧電素子及び第二圧電素子に伝わり、第一圧電素子及び第二圧電素子においてそれぞれ上記音声信号に対応した高電圧の信号が発生する。そして、この高電圧の音声信号は、第一圧電素子または第二圧電素子の出力部より出力することができる。ゆえに、磁界生成部に入力される低電圧の音声信号は、超磁歪部材によって機械応力に変換され、さらにこの機械応力は圧電素子によって高電圧の音声信号に変換されて、出力部より出力されることになる。
したがって、昇圧トランスを用いることなく高電圧の音声信号を得ることができるようにした電気音響変換器を提供することが出来る。
【００１２】
また、本発明のコンデンサーヘッドホンによれば、上記電気音響変換器の出力部より出力された高電圧の音声信号が、コンデンサー型ヘッドホンユニットを構成する一対の固定電極にそれぞれ印加され、振動板がこの音声信号に対応して振動し、音声に変換されて出力される。上記電気音響変換器より出力された高電圧の音声信号は、コンデンサー型ヘッドホンユニットに入力されて、コンデンサーヘッドホンを駆動することになる。
したがって、従来のコンデンサーヘッドホンのように、変成比率の高い昇圧トランスを用いる必要がなく、高電圧の音声信号を得ることができるコンデンサーヘッドホンを提供することが出来る。しかも、このコンデンサーヘッドホンは、昇圧トランスを用いないことから、小型で軽量なものとすることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る電気音響変換器、及びこの電気音響変換器を用いたコンデンサーヘッドホンの実施例について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る電気音響変換器の実施例を概略的に示す構造図及び結線図である。
本発明の電気音響変換器１０は、支持部材１と、超磁歪部材２と、第一圧電素子４及び第二圧電素子５と、を備える。
【００１４】
支持部材１は、第一圧電素子４と、超磁歪部材２と、第二圧電素子５とを直列に組み付けて挟持する支持部材であり、金属などの剛体で作製されている。図１において、支持部材１は、超磁歪部材２と圧電素子４，５の中央穴を挿通する固定ボルト（以下、符号１で示す。）となっており、先端側からナット９がねじ込まれている。この固定ボルト１とナット９からなる締結手段によって、第一圧電素子４と、超磁歪部材２と、第二圧電素子５とが機械接合された状態で締結されている。したがって、超磁歪部材２と、超磁歪部材２と、第二圧電素子５は、固定ボルト１の張力（抗力）で弾性支持される。しかも、機械振動系の結合が密になり、変換効率が高いものとなる。また、固定ボルト１の張力で締結されているので、所謂ランジュバン型の圧電子の間に超磁歪部材２を位置させたことと等価となり、超磁歪部材単体で用いる時に必要であった超磁歪部材を支持するためのコイルスプリングが不要になる。
また、第一圧電素子４と、超磁歪部材２と、第二圧電素子５とを直列に組み付けた両端部、すなわち、固定ボルト１の頭部およびナット９と第一、第二圧電素子との間には、それぞれ座金７，８が介在している。この座金７，８によって、第一圧電素子４と、超磁歪部材２と、第二圧電素子５は、安定して支持されている。
【００１５】
超磁歪部材２は、磁界の変動に応じて変位（伸縮）する性質を有する超磁歪素子（以下、符号２で示す。）を材料とする。この超磁歪素子２とは、たとえばテルビウム、ディスプロシウム、及び鉄などを主成分とする単結晶合金から作られた素子であり、外部から磁界が印加されると、ジュール効果によって外部磁界の方向に沿って伸びる寸法の変化を起こす性質や、外部から応力を受けると、ビラリ効果によって磁化量の変化を生じて圧縮変形する性質を有する。また、超磁歪素子２は、粉末冶金で作成され、圧縮強度が６００×１０６（Ｐａ）、引っ張り強度が２０×１０６（Ｐａ）と、極めて高い機械強度を有する。また、ヤング率も２．０×１０６（Ｎ／ｍ２）と極めて高い。このように、超磁歪部材は機械強度が高い素子より構成されているので、応力が加わっても破損してしまうことが無い。しかも、ヤング率が高いことから、高い周波数に対する応答を確保することが出来る。
【００１６】
図１において、超磁歪素子２は、中央穴を有する環状体をした円柱状となっており、内側（中央）に固定ボルト１が挿通されている。このように、超磁歪素子２は環状体であることにより、効率良く簡単に固定ボルト１によって支持されている。
【００１７】
磁界生成部３は、超磁歪部材２の周囲に間隔を設けて配置され、音声信号に基づく駆動電流の供給に応じて超磁歪部材２の変位方向に沿った向きの磁界を発生するコイル（以下、符号３で示す。）とする。図１において、コイル３は、超磁歪素子２をコアとして適宜の回数巻かれている。コイル３はボビンに巻き、ボビンの中心孔に超磁歪素子２を挿入しても良い。コイル３には、信号源６が接続され、信号源６から音声信号が入力されるようになっている。コイル３に入力される音声信号の電圧レベルは、市販されているヘッドホンに入力される電圧レベルと同等の低電圧の信号レベルである。なお、コイル３は、通常のオーディオアンプで駆動することが出来る。
【００１８】
第一圧電素子４及び第二圧電素子５は、機械的な歪が生じると、圧電効果によって歪量に応じた電気信号を出力するものであり、超磁歪素子２の変位方向各端部に配置されている。この第一圧電素子４と第二圧電素子５は、図１において矢印で示すように、互いに極性が向かい合うように配置されている。
また、第一圧電素子４及び第二圧電素子５は、中央穴を有する環状体をした超磁歪素子２と同径の円柱状となっており、内側（中央）に固定ボルト１が挿通されている。したがって、直列的に組み付けられた超磁歪素子２と、第一圧電素子４及び第二圧電素子５は、連続した円柱状になっている。このように、第一圧電素子４及び第二圧電素子５は環状体であることにより、効率良く簡単に固定ボルト１によって支持される。
【００１９】
第一圧電素子４及び第二圧電素子５は、複数個を積層して構成したスタック状に構成されていると望ましい。複数の圧電素子が積層されることによって、電気的に直列に接続された構成となり、積層された各圧電素子の両端から高い電圧を発生することが出来る。また、積層された各圧電素子の両端には、出力端子がそれぞれ設けられている。
図１において、第一圧電素子４の一端側には第一端子部１４Ａが配置されると共に、他端側には第二端子部１４Ｂが配置されている。一方、第二圧電素子５の一端側には第三端子部１５Ａが配置されると共に、他端側には第四端子部１５Ｂが配置されている。すなわち、座金７と第一圧電素子４の一端側との間に第一端子部１４Ａが配置され、第一圧電素子４の他端側と超磁歪素子２との間に第二端子部１４Ｂが配置されている。一方、超磁歪素子２と第二圧電素子５の他端側との間に第四端子部１５Ｂが配置され、第二圧電素子５の一端側と座金８との間に第三端子部１５Ａが配置されている。したがって、第一圧電素子４と第二圧電素子５における両端の各端子部からは、積層された個々の圧電素子の出力電圧が加算されて出力される。
【００２０】
また、第一圧電素子４の第一端子部１４Ａと第二圧電素子５の第三端子部１５Ａは互いに接続されて第一出力部１１を形成している。一方、第一圧電素子４の第二端子部１４Ｂと第二圧電素子の第四端子部１５Ｂは互いに接続されて第二出力部１２を形成している。これらの出力部１１、１２から信号が出力される。図示の例では第一圧電素子４と第二圧電素子５が並列に接続されているが、直列に接続してもよい。
【００２１】
以上のように構成された電気音響変換器１０では、信号源６からコイル３に音声信号が入力されると、コイル２内に音声信号に対応した磁界が発生し、超磁歪素子２はその磁歪作用によって磁界に対応して伸縮しようとする。この外部磁界による超磁歪素子２の寸法変化をジュール効果という。超磁歪素子２は圧電素子４とともに直列的に接合されて固定ボルト１で挟持されているため、寸法変化が制限され、超磁歪素子２の内部に機械的な応力を生じる。この応力が超磁歪素子２の変位方向各端部に配置された第一圧電素子４及び第二圧電素子５に伝達され（加えられ）、第一圧電素子４及び第二圧電素子５の両端に上記応力に対応した、すなわち音声信号に対応した高電圧の信号をそれぞれ発生する。したがって、低い電圧の信号を高い電圧の信号に変換することが出来る。
【００２２】
上記電気音響変換器１０を用いることで、高電圧の音声信号で駆動する必要があるコンデンサーヘッドホンを構成することができる。
図２は、本発明に係る電気音響変換器を用いたコンデンサーヘッドホンの実施例を概略的に示す構造図及び結線図である。図２において、コンデンサーヘッドホン２０は、上記電気音響変換器１０と、振動板２１とこの振動板２１の両面に対向する一対の固定電極２２，２３との間のコンデンサー容量を音声信号に応じて変化させることにより、振動板２１を振動させて音声を生成するコンデンサー型ヘッドホンユニットとを備える。
また、コンデンサーヘッドホン２０は、電気音響変換器１０の前記出力部１１、１２を、前記コンデンサー型ヘッドホンユニットの固定電極２２，２３にそれぞれ接続し、音声信号に対応して電気音響変換器１０の第一圧電素子４及び第二圧電素子５で生成された信号電圧を、コンデンサー型ヘッドホンユニットの固定電極２２，２３に印加するように構成されている。
【００２３】
この第一圧電素子４及び第二圧電素子５で発生する高電圧の音声信号をコンデンサー型ヘッドホンユニットに入力することによって、コンデンサー型ヘッドホンユニットを駆動することができる。図２に示す実施例は、第一圧電素子４及び第二圧電素子５でそれぞれ生成される高電圧の音声信号を単にコンデンサー型ヘッドホンユニットに入力するのではなく、より効率的にコンデンサー型ヘッドホンユニットを駆動できるように、コンデンサー型ヘッドホンユニットの構造および第一圧電素子４及び第二圧電素子５の構造、さらに電気的接続に工夫が施されている。これを具体的に説明する。
【００２４】
コンデンサー型ヘッドホンユニットは、コンデンサーマイクロホンに見られるように、音声にしたがって振動する薄膜からなる振動板と、この振動板に対し所定の隙間をおいて対向配置された固定電極を主体としてなる。振動板と固定電極とでコンデンサーを構成し、振動板と固定電極との間に印加する電圧を変化させると、電圧の変化にしたがって振動板が振動し、音声が生成される。
【００２５】
図２に示す実施例では、コンデンサー型ヘッドホンユニットの構成が、１枚の振動板２１と、この振動板２１を挟んで両側に配置された一対の固定電極２２，２３を有してなる。振動板２１は円形になっていて、その周縁部が振動板支持体２４によって支持されている。図２では、振動板２１と固定電極２２，２３が縦断面で示されている。一対の固定電極２２，２３は、振動板２１に対して所定の間隙をおいて配置されている。振動板２１と固定電極２２，２３は、上記のような相対位置関係を保つように、図示されないユニットケースに内蔵されている。
【００２６】
電気音響変換器１０の第一出力部１１は固定電極２２に電気的に接続され、一方、同第二出力部１２は固定電極２３に電気的に接続されている。この例では、第一出力部１１が＋極、第二出力部１２が−極になっている。
【００２７】
以上のように構成されたコンデンサーヘッドホン２０では、信号源６からコイル３に音声信号が入力されると、コイル２内に音声信号に対応した磁界が発生し、超磁歪素子２はその磁歪作用によって磁界に対応して変位（伸縮）しようとする。超磁歪素子２は、その変位方向各端部に配置された第一圧電素子４及び第二圧電素子５とともに直列的に接合され、固定ボルト１で挟持されているために寸法変化が制限され、超磁歪素子２の内部に機械的な応力を生じる。この応力が、超磁歪素子２から第一圧電素子４及び第二圧電素子５に伝達され、第一圧電素子４及び第二圧電素子５の両端には、結果的に上記音声信号に対応した高い電圧の信号が生成される。そして、この高い電圧の信号を、コンデンサー型ヘッドホンユニットを構成する固定電極２２，２３に印加することにより、振動板２１を上記音声信号に対応して振動させ、変換された高い交流信号でコンデンサーヘッドホン２０を駆動し、振動板２１から音波を放射することができる。
【００２８】
このように、コンデンサー型ヘッドホンユニットは、振動板２１と、この振動板２１を挟んで対向配置した２個一対の固定電極２２，２３とで構成し、第一圧電素子４の第一端子部１４Ａと第二圧電素子５の第三端子部１５Ａとを互いに接合して形成した第一出力部１１を固定電極２２に接続すると共にし、第一圧電素子４の第二端子部１４Ｂと第二圧電素子の第四端子部１５Ｂとを互いに接合して形成した第二出力部１２を固定電極２３に接続している。したがって、超磁歪素子２と、第一圧電素子４及び第二圧電素子５からなる昇圧手段により音声信号が高電圧に昇圧されて一対の固定電極２２，２３に印加され、振動板２１は、固定電極２２とで構成されるコンデンサー構造と、固定電極２３とで構成されるコンデンサー構造の双方で駆動される。こうして振動板２１は、これを挟み込む固定電極２２，２３により効率的に駆動されるため、十分高い音圧の音波を出力することができる。
【００２９】
このように、信号源６から入力される音声信号は一般的な低電圧の信号であっても、超磁歪素子２と、第一圧電素子４及び第二圧電素子５によって高電圧に昇圧され、従来のコンデンサー型ヘッドホンのように、変成比率の高い昇圧トランスを使用する必要がなく、小型で軽量のコンデンサーヘッドホンを得ることができる。
【００３０】
なお、本発明に係る電気音響変換器１０を用いることで、入力される電圧によって発振周波数を変化させることができる電圧可変発振器（ＶＣＯ）を実現することもできる。
図３は、本発明に係る電気音響変換器を用いた電圧可変発振器の実施例を概略的に示す構造図及び結線図である。図３において、電圧可変発振器３０は、コイル３と接続された、コンデンサー分割回路とトランジスタとで構成された発振回路を備える。したがって、第一出力部１１及び第二出力部１２をそれぞれ信号入力部として用い、第一出力部１１及び第二出力部１２より第一圧電素子４及び第二圧電素子５に信号電圧を加えると、信号電圧に応じて第一圧電素子４及び第二圧電素子５が伸縮しようとし、超磁歪素子２に応力を加える。超磁歪素子２は、加えられた応力に応じてインダクタンスが変化する性質を有しているため、このインダクタンスの変化により上記発振回路の発振周波数を変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る電気音響変換器の実施例を概略的に示す構造図及び結線図である。
【図２】本発明に係る電気音響変換器を用いたコンデンサーヘッドホンの実施例を概略的に示す構造図及び結線図である。
【図３】本発明に係る電気音響変換器を用いた電圧可変発振器の実施例を概略的に示す構造図及び結線図である。
【図４】従来の電気音響変換器の実施例を概略的に示す構造図及び結線図である。
【符号の説明】
【００３２】
１    固定ボルト（支持部材）
２    超磁歪部材（超磁歪素子）
３    磁界生成部（コイル）
４    第一圧電素子（圧電素子スタック）
５    第二圧電素子（圧電素子スタック）
６    信号源
７，８  座金
９    ナット
１０  電気音響変換器
１１  第一出力部
１２  第二出力部
１４Ａ  第一端子部
１４Ｂ  第二端子部
１５Ａ  第三端子部
１５Ｂ  第四端子部
２０  コンデンサーヘッドホン
２１  振動板
２２，２３  固定電極
２４  振動板支持体
【図１】
2008294178.tif 000003
【図２】
2008294178.tif 000004
【図３】
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【図４】
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