(57)【要約】【課題】より低い最低共振周波数を有する静電型スピーカを提供すること。【解決手段】本発明は、面を有し、入力信号に応じて振動する振動電極３０と、振動電極３０の面に対向する面を有し、振動電極３０と離間配置された固定電極１０と、振動電極３０の面と固定電極１０の面との間に形成され、所定のスティフネスおよび絶縁性を有するクッション絶縁層であって、振動電極３０と固定電極１０との間隙を貫く空隙部を有するクッション絶縁層２０とを有する静電型スピーカを提供する。【選択図】図１
2007274341.tif 000002
【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形成され、所定のスティフネスおよび絶縁性を有するクッション絶縁層であって、前記振動電極と前記固定電極との間隙を貫く空隙部を有するクッション絶縁層と
を有する静電型スピーカ。
【請求項２】
前記クッション絶縁層が、互いに間隙を有して配置される複数のクッション材によって形成され、各クッション材の間の間隙が前記空隙部となる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】
前記複数のクッション材の各々は、その集合全体についてのスティフネスが所定値になるように、少なくとも各クッション材の個々のスティフネス、各クッション材の形状および各クッション材の配置が決定されていることを特徴とする請求項２に記載の静電型スピーカ。
【請求項４】
前記クッション絶縁層が、一または複数のクッション材によって形成され、
前記一または複数のクッション材には前記振動電極と前記固定電極との間隙を貫く孔が形成されている
ことを特徴とする請求項１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。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、あるいは振動板という）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】
一般的に静電型スピーカは、可動電極の両側にそれぞれ１枚ずつ、計２枚の固定電極を有するものが多い。可動電極の外周部は、２枚の固定電極の間で固定される。この構造の静電型スピーカにおいて、可動電極の振幅は、可動電極に加えられる張力と入力信号の強度に依存する。可動電極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、可動電極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、可動電極の外周は固定されているため、音圧を上げるため可動電極の振幅を増大させると、可動電極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。この問題に対する対策として、固定電極間の間隔を広げることが考えられる。しかし、固定電極間の間隔を広げると、同じ音圧を得るためには固定電極に印加するバイアス電圧および入力信号の電圧を大きくする必要がある、すなわち、スピーカの効率が低下するという問題があった。
【０００４】
以上の問題を解決する技術として、例えば特許文献１および２に記載された技術がある。特許文献１は、可動電極を固定電極に対し固定する部分に弾性スペーサを設けることにより可動電極に係る張力を低減する技術を開示している。特許文献２は、固定電極として、互いに絶縁された複数の板状電極を用いることにより、可動電極を平板に近い形態で振動させる技術を開示している。
また、前述のような静電型スピーカに特有の問題を回避するため、動電型平面スピーカも開発されている（例えば、特許文献３参照）。しかし、動電型平面スピーカは静電型スピーカと比較して効率および応答性が悪いという問題がある。
【０００５】
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１に記載された技術がある。非特許文献１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。
【０００６】
【特許文献１】特許第３３５３０３１号公報
【特許文献２】特許第３２７７４９８号公報
【特許文献３】特公平７−０３８７５８号公報
【非特許文献１】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】
【０００７】
エッジレス構造を採用することにより、静電型スピーカの音圧を向上させることができる。しかし、単にエッジレス構造を採用するだけでは、スピーカの最低共振周波数を低下させることができないという問題があった。
本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、最低共振周波数を低下させることができる静電型スピーカを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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形成され、所定のスティフネスおよび絶縁性を有するクッション絶縁層であって、前記振動電極と前記固定電極との間隙を貫く空隙部を有するクッション絶縁層とを有する静電型スピーカを提供する。
【０００９】
好ましい態様において、この静電型スピーカは、前記クッション絶縁層が、互いに間隙を有して配置される複数のクッション材によって形成され、各クッション材の間の間隙が前記空隙部となってもよい。
この態様において、前記複数のクッション材の各々は、その集合全体についてのスティフネスが所定値になるように、少なくとも各クッション材の個々のスティフネス、各クッション材の形状および各クッション材の配置が決定されてもよい。
【００１０】
別の好ましい態様において、この静電型スピーカは、前記クッション絶縁層が、一または複数のクッション材によって形成され、前記一または複数のクッション材には前記振動電極と前記固定電極との間隙を貫く孔が形成されていてもよい。
【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層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層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、平面形状の電極である。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、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、クッション層２０およびクッション層４０に挟まれている。振動膜３０は、クッション層２０およびクッション層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。
【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】
クッション層２０およびクッション層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。クッション層２０およびクッション層４０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。クッション層２０およびクッション層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。
【数１】
2007274341.tif 000003
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。
【数２】
2007274341.tif 000004
【００１７】
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、クッション層２０（クッション層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。
【００１８】
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、クッション層２０（クッション層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、クッション層２０（クッション層４０）の形状や厚みを考慮することにより、クッション層２０（クッション層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。
【００１９】
式（１）をＳＭについて解くと、次式（３）のようになる。
【数３】
2007274341.tif 000005
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、クッション層２０（クッション層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。クッション層２０（クッション層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。
【００２０】
図２は、クッション層の第１実施形態を示す図である。図２は、固定電極１０を正面から見た平面図である。図２においては、図面が煩雑になるのを避けるため、固定電極１０およびクッション層２０のみ図示している。本実施形態において、クッション層２０は、複数のクッション部材２０−１を有する。各クッション部材２０−１の形状は直方体である。複数のクッション部材２０−１は、固定電極１０上に等間隔で配置されている。固定電極１０とクッション部材２０−１とは、例えば接着剤を用いて固定される。各クッション部材２０−１のスティフネスをＳＭｉとすると、クッション層２０、すなわち複数のクッション部材２０−１全体のスティフネスＳは、Ｓ＝ΣＳＭｉとなる。本実施形態においては、Ｓ＝ΣＳＭｉが、０．８≦（Ｓ／ＳＭ）≦１．２を満たす。このように、クッション層２０は、固定電極１０の面と振動膜３０の面との間に形成される。また、クッション層２０は、所定のスティフネスおよび絶縁性を有する。さらに、クッション層２０は、振動膜３０と固定電極１０との間隙を貫く空隙部を有する。本実施形態においては、クッション層２０が、互いに間隙を有して配置される複数のクッション部材２０−１によって形成される。各クッション部材２０−１の間の間隙が、振動膜３０と固定電極１０との間隙を貫く空隙部となる。さらに、クッション部材２０−１の各々は、その集合全体についてのスティフネスが所定値になるように、少なくとも各クッション材の個々のスティフネス、各クッション材の形状および各クッション材の配置が決定されている。
【００２１】
このように、クッション層として複数のクッション部材を用いるのは次のような理由による。スティフネスは、例えばクッション層のヤング率をクッション層の厚さで除算し、さらにクッション層の面積を乗算することにより得られる。すなわち、同じ素材を用いた場合でも、その面積を減少させることにより、クッション層のスティフネスを減少させることができる。これにより、サイズの大きい静電型スピーカユニットを作製する場合においても、クッション層のスティフネスの増加を抑制することができる。すなわち、低ｆ０の特性を有する静電型スピーカユニットを作製することができる。
【００２２】
図３は、クッション層の第２実施形態を示す図である。第１実施形態においてはクッション部材２０−１は等間隔に配置されていたが、第２実施形態においては、複数のクッション部材２０−１はランダムな間隔で配置されている。なお、第１および第２実施形態において、クッション部材２０−１の間隔を大きくするには、振動膜３０として、より固い材料で形成されたものを用いることが望ましい。
【００２３】
図４は、クッション層の第３実施形態を示す図である。本実施形態において、クッション層２０は、複数のクッション部材２０−２を有する。クッション部材２０−２の形状は、立方体である。複数のクッション部材２０−２は、等間隔で規則的に固定電極１０上に配置されている。なお、クッション部材２０−２の形状は立方体に限定されない。多角柱、円柱、球形、円錐形などどのような形状の立体でもよい。また、クッション部材２０−２は、ランダムな間隔で配置されてもよい。
【００２４】
図５は、クッション層の第４実施形態を示す図である。本実施形態において、クッション層２０は、複数の孔Ｈを有するクッション材２０−３により形成される。孔Ｈは、クッション材２０−３の表面から裏面まで貫通している。なお、孔Ｈの断面形状は４角形に限定されない。３角形、または５角形以上の多角形であってもよい。あるいは、円形または楕円形であってもよい。また、孔Ｈは等間隔で規則的に配置されても、ランダムに配置されてもよい。要は、クッション材２０−３は、振動膜３０と固定電極１０との間隙を貫く孔が形成されていれば、どのような形状でもよい。なお、図５においてはクッション層２０が単一のクッション材により形成されている態様が示されているが、クッション層２０は、それぞれ孔Ｈを有する複数のクッション材により形成されてもよい。この場合は、孔Ｈおよび各クッション材の間の間隙がクッション層２０の空隙部を形成する。また、各孔Ｈを接続する空隙部が設置されていてもよい。
【００２５】
図２〜図５はあくまで例示であり、クッション層の形状はこれに限定されるものではない。要は、式（３）で算出されるスティフネスから所定の誤差範囲に収まっているスティフネスを有するクッション層であれば、どのような形状のものでものよい。また、図２〜図５ではクッション層２０についてのみ説明したが、クッション層４０についてもこれと同様である。
【００２６】
図６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６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６において、実線はクッション層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、点線はクッション層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層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。
【００２７】
スピーカユニット１の最低共振周波数ｆ０を低下させるため、単に低スティフネス（低ヤング率）のクッション材を用いただけでは、クッション材がつぶれやすいなど加工性や製造上の扱いにくさの問題が生じる。しかし、本実施形態によれば、ある程度高いヤング率のクッション材が離散的に配置される。したがって、加工性を確保しつつ、クッション層全体のスティフネスを下げることができる。これにより、最低共振周波数ｆ０の低いスピーカを得ることができる。
【００２８】
図７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７（ａ）はシミュレーションによる計算値を、図７（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】
上述の実施形態においては、クッション材のスティフネスを適当な値に設計することによりスピーカの周波数特性を制御する例について説明した。しかし、クッション材の誘電率を適当な値に設計することによりスピーカの周波数特性を制御してもよい。一般に、クッション材の誘電率は空気より高い。したがって、より高い誘電率のクッション材を用いることにより、ｆ０を低減するとともに静電駆動力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【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】クッション層の第１実施形態を示す図である。
【図３】クッション層の第２実施形態を示す図である。
【図４】クッション層の第３実施形態を示す図である。
【図５】クッション層の第４実施形態を示す図である。
【図６】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７】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】
【００３２】
１…スピーカユニット、２０−１・２０−２…クッション部材、１０…固定電極、２０…クッション層、３０…振動膜、４０…クッション層、５０…固定電極、６０…スペーサ
【図１】
2007274341.tif 000006
【図２】
2007274341.tif 000007
【図３】
2007274341.tif 000008
【図４】
2007274341.tif 000009
【図５】
2007274341.tif 000010
【図６】
2007274341.tif 000011
【図７】
2007274341.tif 000012