(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
面を有し、入力信号に応じて振動する振動電極と、
前記振動電極の面に対向する面を有し、前記振動電極と離間配置された固定電極と、
前記振動電極の面と前記固定電極の面との間に、前記振動電極と接するように配置されたクッション材であって、前記振動電極の面と平行な断面において複数の領域を有し、前記複数の領域のうち少なくとも２つの領域におけるスティフネスが異なるクッション材と
を有する静電型スピーカ。
【請求項２】
前記複数の領域のうち隣接する２つの領域において、前記振動電極の中心との距離が近い領域のスティフネスが、前記振動電極の中心との距離が遠い領域のスティフネスよりも高いことを特徴とする請求項１に記載の静電型スピーカ。
【請求項３】
面を有し、入力信号に応じて振動する振動電極と、
前記振動電極の面に対向する面を有し、前記振動電極と離間配置された固定電極と、
前記振動電極の面と前記固定電極の面との間に、それぞれ前記振動電極と接するように配置された複数のクッション材と
を有し、
前記複数のクッション材のうち少なくとも２つのクッション材のスティフネスが異なる
ことを特徴とする静電型スピーカ。
【請求項４】
前記複数のクッション材のうち隣接する２つのクッション材において、前記振動電極の中心との距離が近いクッション材のスティフネスが、前記振動電極の中心との距離が遠いクッション材のスティフネスよりも高いことを特徴とする請求項３に記載の静電型スピーカ。
【請求項５】
前記振動電極の数が複数であり、前記複数のクッション材が、それぞれ異なる振動電極と接するように配置されることを特徴とする請求項３に記載の静電型スピーカ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電型スピーカに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、静電型スピーカ（コンデンサスピーカ）といわれるスピーカが知られている（例えば、非特許文献１および２）。静電型スピーカは、基本構造として、空隙を隔てて向かい合う２枚の平行平面電極を有する。２枚の平行平面電極は、１枚が固定され（固定電極あるいは固定板という）、もう１枚が可動する（可動電極、振動電極、振動板、あるいは振動膜という）構造となっているものが多い。この平行平面電極間に印加されるバイアス電圧に入力信号を重ね合わせると、平行平面電極間の吸引力が変化する。静電型スピーカは、この吸引力により振動板を振動させることにより音を出力するものである。
【０００３】
非特許文献１および２に記載された静電型スピーカは、振動膜の外周部を固定電極に対して固定（支持）する、すなわち、張力をかけることにより振動膜を支持する構造を有している。この構造の静電型スピーカにおいて、振動膜の振幅は、振動膜に加えられる張力と入力信号の強度に依存する。振動膜の振幅は通常の動電型スピーカに比べて小さいため、動電型スピーカと同等の音圧を得るには、振動膜の面積を大きくする必要があった。すなわち、静電型スピーカが大型化してしまうという問題があった。さらに、振動膜の外周は固定されているため、音圧を上げるため振動膜の振幅を増大させると、振動膜の中心部分が固定電極に接触してしまうという問題があった。あるいは、音圧を上げるため振動膜の張力を弱めると、振動膜が不規則に振動し、歪が発生してしまうという問題があった。
【０００４】
ここで、静電型スピーカにおける音圧の問題を解決する技術として、例えば非特許文献３に記載された技術がある。非特許文献３は、可動電極の外周を固定（支持）しない、いわゆるエッジレス構造を有する静電型スピーカを開示している。
【０００５】
【非特許文献１】「音の細道（２７）」、［online］、［平成１８年２月１５日検索］、インターネット＜URL：http://www.dynamicaudio.co.jp/audio/5555/7f/oto/oto27.html＞
【非特許文献２】「Audio Quad ESL-63」、［online］、［平成１８年２月１５日検索］、インターネット＜URL：http://www.euronet.nl/users/temagm/audio/esl63.htm＞
【非特許文献３】岡崎正倫、外４名、「全帯域でピストン振動する振動板を持つコンデンサスピーカとその応用」、日本音響学会２００４年度秋季研究発表会講演論文集、日本音響学会、平成１６年９月、ｐ．５６３−５６４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献３に記載の技術によっても、いわゆる３ウェイ方式のスピーカを作製するには、各帯域ごとにそれぞれ別個の、すなわち３つのスピーカユニットを用いなければならなかった。また、非特許文献３によっても、各スピーカユニットの周波数特性を所望のものに設計することはできなかった。
本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、複数の周波数帯域に適合した静電型スピーカを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するため、本発明は、面を有し、入力信号に応じて振動する振動電極と、前記振動電極の面に対向する面を有し、前記振動電極と離間配置された固定電極と、前記振動電極の面と前記固定電極の面との間に、前記振動電極と接するように配置されたクッション材であって、前記振動電極の面と平行な断面において複数の領域を有し、前記複数の領域のうち少なくとも２つの領域におけるスティフネスが異なるクッション材とを有する静電型スピーカを提供する。
振動電極の振動により発生する音波の周波数特性は、クッション材のスティフネスが影響している。したがって、スティフネスが異なる領域を有するクッション材を用いることにより、複数の周波数帯域に適合した静電型スピーカを作製することができる。
【０００８】
好ましい態様において、この静電型スピーカは、前記複数の領域のうち隣接する２つの領域において、前記振動電極の中心との距離が近い領域のスティフネスが、前記振動電極の中心との距離が遠い領域のスティフネスよりも高くてもよい。
【０００９】
また、本発明は、面を有し、入力信号に応じて振動する振動電極と、前記振動電極の面に対向する面を有し、前記振動電極と離間配置された固定電極と、前記振動電極の面と前記固定電極の面との間に、それぞれ前記振動電極と接するように配置された複数のクッション材とを有し、前記複数のクッション材のうち少なくとも２つのクッション材のスティフネスが異なることを特徴とする静電型スピーカを提供する。
振動電極の振動により発生する音波の周波数特性は、クッション材のスティフネスが影響している。したがって、スティフネスが異なる複数のクッション材を用いることにより、複数の周波数帯域に適合した静電型スピーカを作製することができる。
【００１０】
好ましい態様において、この静電型スピーカは、前記複数のクッション材のうち隣接する２つのクッション材において、前記振動電極の中心との距離が近いクッション材のスティフネスが、前記振動電極の中心との距離が遠いクッション材のスティフネスよりも高くてもよい。
さらに別の好ましい態様において、この静電型スピーカは、前記振動電極の数が複数であり、前記複数のクッション材が、それぞれ異なる振動電極と接するように配置されてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るスピーカユニット１の構成を示す図である。スピーカユニット１は、固定電極１０および固定電極５０の２枚の固定電極を有する、いわゆるプッシュ・プル型の静電型スピーカである。スピーカユニット１は、固定電極１０と固定電極５０の間に挟まれた振動膜３０を有する。振動膜３０は、静電型スピーカにおける振動電極として機能する。固定電極１０と振動膜３０の間にはクッション材２０が設けられている。同様に、固定電極５０と振動膜３０の間にはクッション材４０が設けられている。固定電極１０と固定電極５０の間には、スペーサ６０が設けられている。
【００１２】
固定電極１０および固定電極５０は、平面電極である。固定電極１０および固定電極５０は、例えば、パンチングメタルなど、音波を透過する構造を有する導電性材料により形成される。あるいは、固定電極１０および固定電極５０は、スパッタ処理により金属などの導電性材料を蒸着した不織布により形成されてもよい。さらにあるいは、固定電極１０および固定電極５０は、導電染料を塗布した不織布により形成されてもよい。要するに、固定電極１０および固定電極５０は、導電性および音波透過性を兼ね備えた材料であればどのような材料を用いて形成されてもよい。
【００１３】
振動膜３０は、平面の形状を有する電極である。振動膜３０は、例えば、ＰＥＴ（polyethylene terephthalate、ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰ（polypropylene、ポリプロピレン）、ポリエステルなどの高分子材料を用いたフィルム（薄膜あるいはシート）に、金属などの導電性材料を蒸着した材料により形成される。あるいは、振動膜３０は、フィルムに導電染料を塗布した材料により形成されてもよい。振動膜３０は、クッション材２０およびクッション材４０に挟まれている。振動膜３０は、クッション材２０およびクッション材４０により支持されている。従来技術においては、振動膜の外周部が固定電極に対し固定される、すなわち、振動膜には張力が加えられる。しかし、本実施形態において、振動膜３０の外周部は固定電極１０（固定電極５０）に対し固定されない。すなわち、振動膜３０には張力が加えられない。なお、本実施形態においては、静電型スピーカの振動電極として膜状の振動膜３０を用いる例について説明するが、振動電極は、バルサ板のように板状の材料を用いて形成されてもよい。
【００１４】
固定電極１０には、図示しない電源からバイアス電圧が供給される。さらに、スピーカユニット１は、図示しない信号源から音声信号（入力信号）を入力する入力部を有する。入力信号は、バイアス電圧に重ねあわされて固定電極１０に供給される。こうして、入力信号に応じた電圧が固定電極１０と振動膜３０との間に印加される。印加電圧によって固定電極１０と振動膜３０との間に電位差が生じると、振動膜３０には静電力が働く。すなわち、振動膜３０は入力信号に応じて変位、すなわち振動する。この振動状態（振動数、振幅、位相など）に応じた音が振動膜３０から発生する。本実施形態において、スピーカユニット１は、プッシュ・プル型の静電型スピーカなので、固定電極５０には、逆位相の印加電圧が供給される。逆位相の信号が供給されることにより、固定電極５０と振動膜３０との間には、固定電極１０と振動膜３０との間に働く静電力と同じ向きおよび大きさの静電力が働く。すなわち、プッシュ・プル型の静電型スピーカにおいては、振動膜３０には、シングル型と比較して２倍の静電力が働く。
【００１５】
スペーサ６０は、固定電極１０と固定電極５０とを互いに固定し、また、絶縁する機能を有する。スペーサ６０は、例えば、塩化ビニル、アクリル（メチルメタアクリレート）、ゴム等の絶縁材料により形成される。スペーサ６０は、接着剤などを用いて固定電極１０および固定電極５０に対して固定される。
【００１６】
クッション材２０およびクッション材４０は、スピーカユニット１の周波数特性を所望の特性にするためのものである。クッション材２０およびクッション材４０は、振動膜３０の面と平行な任意の断面において複数の領域を有する。この複数の領域のうち少なくとも２つの領域において、その弾性率は異なっている。なお、振動膜３０の面と垂直な方向においては、クッション材２０（クッション材４０）の弾性率は一定である。各領域は、所定の弾性率（例えば厚さ方向に関する線弾性係数（ヤング率）等で表すことができる）を有する弾性体あるいは弾性材料を用いて形成される。クッション材２０およびクッション材４０の弾性率は、以下のように決定される。例えば、阪本楢次、「スピーカとスピーカシステム」、日刊工業新聞社、１９６７年、に記載されているように、系の最低共振周波数ｆ０は次式（１）のように表される。
【００１７】
【数１】
0004697007.tif 000002
ここで、Ｃ０は固定電極１０（固定電極５０）および振動膜３０により形成されるコンデンサの静電容量である。固定電極１０（固定電極５０）と振動膜３０との間に直流電界および入力信号が加えられない状態における固定電極１０（固定電極５０）と振動膜３０との距離をｄ、直流電界および入力信号が加えられたときの振動膜３０の変位をｘ０とすると、Ｃ０は次式（２）のように表される。
【００１８】
【数２】
0004697007.tif 000003
また、Ｅ０は、固定電極１０（固定電極５０）に印加されるバイアス電圧、すなわち、共通接地から固定電極１０（固定電極５０）の電位である。εは、クッション材２０（クッション材４０）の誘電率である。Ｓは、振動膜３０の、固定電極１０（固定電極５０）と対向する面の面積である。ＭＭＤは、振動膜３０の質量である。ＭＭＡは、振動膜３０の片側の空気付加質量（放射質量）である。
【００１９】
また、ＳＭは、系の等価スティフネスである。従来技術のように、振動膜（振動板）に張力（テンション）をかけることにより振動膜の外周部を固定電極に対して固定（支持）する構造の静電型スピーカにおいては、ＳＭは振動膜に加えられる張力を表す。しかし、本実施形態のように振動膜に張力をかけない構造においては、張力をＳＭとして用いることができない。そこで、本実施形態においては、クッション材２０（クッション材４０）のスティフネス（かけられた負荷と変位との比例定数であって、Ｎ／ｍの次元を有する）をＳＭとして用いる。スティネスが決まれば、クッション材２０（クッション材４０）の形状や厚みを考慮することにより、クッション材２０（クッション材４０）の弾性率を決定することができる。弾性率としては、例えば応力―歪み特性が線形の範囲ではヤング率を、応力―歪み特性が非線形の範囲ではセカント係数を用いることができる。
【００２０】
式（１）をＳＭについて解くと、次式（３）のようになる。
【数３】
0004697007.tif 000004
ここで、ＳＭＥ＝２εＳＥ０２／（ｄ＋ｘ０）３であり、コンデンサの負スティフネスを表す。このように、クッション材のスティフネスＳＭは、系の最低共振周波数ｆ０の関数となる。式（３）に所望の最低共振周波数、すなわち最低共振周波数の設計値を代入すると、クッション材２０（クッション材４０）のスティフネスが得られる。こうして算出されたスティフネスを有するクッション材を用いることにより、所望の最低共振周波数を有する静電型スピーカを作製することができる。クッション材２０（クッション材４０）のスティフネスＳは、式（３）で算出されるスティフネスＳＭに対しあらかじめ決められた誤差範囲内に収まっていればよい。例えば、スピーカユニット１は、０．８≦（Ｓ／ＳＭ）≦１．２を満たすスティフネスＳを有するクッション材を用いて作製されてもよい。
【００２１】
図２は、クッション材における複数の領域の構成の第１実施形態を示す図である。図２では、図面が煩雑になるのを避けるため、固定電極１０およびクッション材２０のみ示している。図２の例では、クッション材２０は、領域２０−１〜２０−３の３つの領域を有する。領域２０−１〜２０−３におけるスティフネスをそれぞれＳＭ１〜ＳＭ３と表すと、スティフネスＳＭ１〜ＳＭ３は、ＳＭ１＜ＳＭ２＜ＳＭ３を満たす。すなわち、固定電極１０に固定した状態で、各領域のスティフネスは、固定電極１０の中央部から周辺部にいくにつれ低くなっている。この関係は、振動膜３０に対しても同様である。すなわち、各領域のスティフネスは、振動膜３０の中央部から周辺部にいくにつれ低くなっている。式（１）から分かるように、スティフネスが高くなると、最低共振周波数は高くなる。すなわち、低、中、高の３段階のスティフネスを有する領域はそれぞれ、低音域、中音域、高音域に対応する。例えば、低スティフネスの領域はウーハとして、中スティフネスの領域はスコーカとして、高スティフネスの領域はツイータとして機能する。このように、それぞれ異なるスティフネスを有する複数のクッション材を用いることにより、複数の周波数特性を有するスピーカユニットを作製することができる。
【００２２】
図２に示されるように、中央部ほどスティフネスの高い、すなわち硬いクッション材を配置することにより、振動膜３０は厚さ方向においてその中心に精度よく保持されやすくなる。これにより、加工性や信頼性が向上する。また、出力音の歪みの低減や放電のリスクが減るなど、スピーカユニット１の特性を向上させる効果もある。なお、高いスティフネスを有するクッション材を配置する位置は振動膜３０の中央部に限定されない。低域を出す必要の無い高域部に相当する領域に、高いスティフネスを有するクッション材を用いることで、振動膜３０全体の位置精度をより高めることができる。
【００２３】
図３は、固定電極１０およびクッション材２０を、図２のＡ−Ａ’で切断した断面を示す断面図である。説明の便宜上、図３には振動膜３０も併せて図示されている。このように、クッション材２０は、複数の領域（領域２０−１〜２０−３）が単一の振動膜３０に接触するように配置されている。このように、クッション材２０は、振動膜３０と接する面において複数の領域を有する。クッション材４０についても同様である。
【００２４】
図４は、スピーカユニット１の製造方法の一例を示す図である。クッション材２０は、例えば接着剤を用いて固定電極１０に固定される。まず、複数の領域のうち、最もスティフネスが大きい（すなわち最も固い）領域である領域２０−３を固定電極１０上に固定する（図４（ａ））。次に、その周辺に、２番目にスティフネスが大きい領域である領域２０−２を固定する（図４（ｂ））。最後に、最外周部に、最もスティフネスが小さい領域である領域２０−１を固定する（図４（ｃ））。このように、固い領域から順番にクッション材を配置していくと取り扱いがしやすく便利である。なお、スピーカユニット１の製造方法は、クッション材２０を固定電極１０に固定するのではなく、クッション材２０を振動膜３０に固定するものであってもよい。その場合も、固い領域から順番にクッション材を配置していくのは同じである。
【００２５】
図５は、クッション材における複数の領域の構成の第２実施形態を示す図である。図５に示されるように、複数の領域は、縦または横方向に一列に配置されてもよい。
図６は、クッション材における複数の領域の構成の第３実施形態を示す図である。複数の領域は、必ずしも放射状に配置される必要はなく、高スティフネスの領域と低スティフネスの領域とが接するように配置されてもよい。
図２、図５、および図６に示される配置はあくまで例示であり、スピーカユニット１の構造はこれに限定されるものではない。それぞれスティフネスが異なる複数の領域を有するクッション材であれば、どのようなものを用いてもよい。
【００２６】
図７は、別の実施形態に係るスピーカユニットの構成を示す模式図である。このスピーカユニットは、それぞれ異なる周波数帯域に対応する複数のサブユニットを有する。図７に示される例では、スピーカユニットは、３つのサブユニットを有する。各サブユニットは、それぞれ、低音域、中音域、高音域に対応する。各サブユニットは、それぞれ少なくとも一組の固定電極１０および振動膜３０を有する。固定電極１０と振動膜３０の間には、クッション材２０が設けられている。各ユニットを区別するため、図７では添字１〜３を用いて区別している。このように、クッション材２０の複数の領域は、それぞれ異なる固定電極１０および振動膜３０に接触するように配置されてもよい。
【００２７】
図８は、スピーカユニット１の周波数特性を例示する図である。図８の例では、振動膜３０として厚さ３μｍ（マイクロメートル）のＰＥＴフィルムに、４００Å（オングストローム）の厚さのＡｌを蒸着したものが用いられている。また、固定電極１０および固定電極５０として、開孔率４１．９％のパンチングメタルが用いられている。バイアス電圧として５．２５ｋＶの電圧が、入力信号として４０００Ｖｐｐの正弦波が用いられている。図８において、実線はクッション材として高スティフネス（具体的には１３３２９１Ｎ／ｍ）の材料を用いた場合の周波数特性の実測値を、点線はクッション材として低スティフネス（具体的には２８９２０Ｎ／ｍ）の材料を用いた場合の周波数特性の実測値を示している。低スティフネスのクッション材を用いることにより、スピーカユニット１の最低共振周波数ｆ０を低下させることができる。
【００２８】
図９は、スピーカユニット１の周波数特性の計算値と実測値を比較する図である。図９（ａ）はシミュレーションによる計算値を、図９（ｂ）は実験による実測値を示している。特に２ｋＨｚ以下の周波数領域において、計算値と実測値とはよく一致している。このように、本実施形態によれば、所望の最低共振周波数ｆ０を有する静電型スピーカを作製することができる。
【００２９】
なお、上述の実施形態においては、スピーカユニット１がプッシュ・プル型の静電型スピーカである態様について説明した。しかし、スピーカユニット１は、固定電極を１枚しか有しない、いわゆるシングル型の静電型スピーカであってもよい。シングル型の静電型スピーカの場合、式（１）の平方根内部の分子第２項の係数は「２」ではなく、「１」になる。すなわち、固定電極の数をｎとすると、コンデンサの負スティフネスは、ＳＭＥ＝ｎεＳＥ０２／（ｄ＋ｘ０）３と表せる。プッシュ・プル型の静電型スピーカの場合、ＳＭＥ＝２εＳＥ０２／（ｄ＋ｘ０）３となり、シングル型の静電型スピーカの場合、ＳＭＥ＝εＳＥ０２／（ｄ＋ｘ０）３となる。
【００３０】
また、上述の実施形態においては、クッション材２０が３つの領域を有する態様について説明したが、クッション材２０が有する領域の数は３つに限定されない。クッション材２０は、それぞれ弾性率が異なる２つ、または４つ以上の領域を有してもよい。
【００３１】
また、上述の実施形態においては、単一のクッション材２０が複数の領域を有する態様について説明した。スピーカユニット１は、単一の領域を有するクッション材、すなわち、その弾性率が均一なクッション材を複数有してもよい。この場合、複数のクッション材のうち、少なくとも２つのクッション材の弾性率は異なっている。複数のクッション材は、固定電極１０（固定電極５０）と振動膜３０との間において、互いに接するように、すなわち密に配置されてもよいし、互いに空隙を介して、すなわち粗に配置されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係るスピーカユニット１の構成を示す図である。
【図２】クッション材における複数の領域の構成の第１実施形態を示す図である。
【図３】クッション材の断面を示す断面図である。
【図４】スピーカユニット１の製造方法の一例を示す図である。
【図５】クッション材における複数の領域の構成の第２実施形態を示す図である。
【図６】クッション材における複数の領域の構成の第３実施形態を示す図である。
【図７】別の実施形態に係るスピーカユニットの構成を示す模式図である。
【図８】スピーカユニット１の周波数特性を例示する図である。
【図９】スピーカユニット１の周波数特性の計算値と実測値を比較する図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…スピーカユニット、１０…固定電極、２０…クッション材、３０…振動膜、４０…クッション材、５０…固定電極、６０…スペーサ
【図１】
0004697007.tif 000005
【図２】
0004697007.tif 000006
【図３】
0004697007.tif 000007
【図４】
0004697007.tif 000008
【図５】
0004697007.tif 000009
【図６】
0004697007.tif 000010
【図７】
0004697007.tif 000011
【図８】
0004697007.tif 000012
【図９】
0004697007.tif 000013