(57)【要約】【課題】駆動回路と固定電極を一体化した静電型スピーカを提供すること。【解決手段】静電型スピーカは、振動電極と、前記振動電極に対向して離間配置された基材と、前記基材上に形成された固定電極と、前記基材上に形成され、前記固定電極の直流電圧を印加するための直流電圧線と、前記基材上において前記直流信号線と前記固定電極との間に介挿されたスイッチング素子であって、制御端子を有し、前記制御端子に入力される信号によりオン・オフが制御されるスイッチング手段と、前記基材上に形成され、前記制御端子に楽音信号を供給するための楽音信号線とを有する。【選択図】図２
2009017337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動電極と、
前記振動電極に対向して離間配置された基材と、
前記基材上に形成された固定電極と、
前記基材上に形成され、前記固定電極の直流電圧を印加するための直流電圧線と、
前記基材上において前記直流信号線と前記固定電極との間に介挿されたスイッチング素子であって、制御端子を有し、前記制御端子に入力される信号によりオン・オフが制御されるスイッチング手段と、
前記基材上に形成され、前記制御端子に楽音信号を供給するための楽音信号線と
を有する静電型スピーカ。
【請求項２】
前記固定電極および前記スイッチング手段は各々複数設けられ、
前記複数のスイッチング手段は、前記直流電圧線と前記各固定電極の間にそれぞれ介挿される
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】
前記楽音信号線は複数設けられ、
前記複数の固定電極は前記各楽音信号線に対応して複数のグループに分けられ、
前記各楽音信号線にはグループ毎に異なる音楽信号が供給される
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４】
前記スイッチング手段が、薄膜トランジスタにより形成される
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の静電型スピーカ。
【請求項５】
前記基材、前記振動電極、前記固定電極および前記薄膜トランジスタが、透明材料により形成される
ことを特徴とする請求項４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】
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】
静電型スピーカは、コンパクト化が望まれている。特許文献１および２は、表示素子、発音体および駆動回路を一体化した画像表示装置を開示している。
【特許文献１】特開２００４−１７３２６４号公報
【特許文献２】特表２００４−５２４５７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１および２は、あくまで画像表示装置に関するものであって、発音体はあくまで付属的なものでしかなかった。すなわちスピーカとして使用するには発音体があまりにも小さかった。また、発音体はアクチュエータにより直接駆動されるものでしかなかった。このように、特許文献１および２は、発音構造、音質、面積などの点で、スピーカが備えるべき周波数特性、音質、指向性および感度等の条件を備えているものではなかった。
これに対し本発明は、駆動回路と固定電極を一体化した静電型スピーカを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、振動電極と、前記振動電極に対向して離間配置された基材と、前記基材上に形成された固定電極と、前記基材上に形成され、前記固定電極の直流電圧を印加するための直流電圧線と、前記基材上において前記直流信号線と前記固定電極との間に介挿されたスイッチング素子であって、制御端子を有し、前記制御端子に入力される信号によりオン・オフが制御されるスイッチング手段と、前記基材上に形成され、前記制御端子に楽音信号を供給するための楽音信号線とを有する静電型スピーカを提供する。
【０００６】
好ましい態様において、この静電型スピーカは、前記固定電極および前記スイッチング手段が各々複数設けられ、前記複数のスイッチング手段が、前記直流電圧線と前記各固定電極の間にそれぞれ介挿されてもよい。
【０００７】
別の好ましい態様において、この静電型スピーカは、前記楽音信号線が複数設けられ、前記複数の固定電極が前記各楽音信号線に対応して複数のグループに分けられ、前記各楽音信号線にはグループ毎に異なる音楽信号が供給されてもよい。
【０００８】
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、前記スイッチング手段が、薄膜トランジスタにより形成されてもよい。
【０００９】
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、前記基材、前記振動電極、前記固定電極および前記薄膜トランジスタが、透明材料により形成されてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、静電型スピーカの駆動回路と固定電極とは一体化される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
１．実施形態
図１は、一実施形態に係るスピーカユニット１の外観図である。図２は、スピーカユニット１のＩ−Ｉ断面図である。スピーカユニット１は、振動電極（振動膜４０）の両側にそれぞれ固定電極（電極膜２０および電極膜６０）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、基材１０と基材７０との間に振動膜４０を有する。基材１０および基材７０の面のうち振動膜４０と対向する面には、電極膜２０および電極膜６０がそれぞれ形成されている。基材１０と振動膜４０との間および基材７０と振動膜４０との間にはそれぞれスペーサ３０およびスペーサ５０が設けられている。
【００１２】
基材１０は、電極膜２０を形成する基板となる部材である。基材１０は、例えば、ＰＥＴ（polyethylene terephthalate、ポリエチレンテレフタレート）、ガラス、プラスチック、ガラスエポキシ材、紙フェノール材（ベーク）、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。基材１０は、板の形状を有しており、振動膜４０と離間して配置されている。基材１０は、振動膜４０と垂直な方向に貫通孔Ｈを有する。貫通孔Ｈは、振動膜４０の振動により発生する音波をスピーカユニット１の外部に伝達するための孔である。貫通孔Ｈの断面形状、大きさ、数および基材１０上の位置は、所望の伝播特性が得られるように設計される。また、基材１０上の電極膜２０が形成された面には、直流電圧を印加するための電圧線およびオーディオ信号（楽音信号）を供給するための信号線（いずれも図１および図２では図示略）、ならびにトランジスタ１００が形成される。基材１０上に形成されるパターンの詳細は後述する。なお、基材７０の構成も基材１０と同様である。
【００１３】
電極膜２０は、静電型スピーカにおける固定電極として機能する。電極膜２０は、金属その他の導電性材料により作製される。電極膜２０は、蒸着、スパッタリング、フォトリソグラフィなどのプロセス技術を用いて、基材１０上に薄膜として形成される。詳細は後述するが、電極膜２０は基材１０上に複数形成される。なお、電極膜６０の構成も電極膜２０と同様である。
【００１４】
スペーサ３０およびスペーサ５０は、基材１０と基材７０とを互いに固定する機能を有する。スペーサ３０およびスペーサ５０は、例えば、テフロン（登録商標）、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３０およびスペーサ５０は、接着剤などを用いて基材１０および基材７０に対して固定される。
【００１５】
振動膜４０は、静電型スピーカにおける振動電極として機能する。振動膜４０は、例えば、ＰＥＴ、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４０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４０は、クッション材８０およびクッション材９０に挟まれている。振動膜４０は、クッション材８０およびクッション材９０により支持されている。すなわち、スピーカユニット１は、いわゆるエッジレス型の構造を有している。
【００１６】
クッション材８０およびクッション材９０は、絶縁性の不織布や綿などで、振動電極と固定電極の接触を防止するとともに、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８０およびクッション材９０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。
【００１７】
図３は、電極膜２０およびトランジスタ１００の配置を例示する図である。本実施形態において、トランジスタ１００は、いわゆるＤ級アンプのドライブ回路として機能する。電圧線ＶＤＤは、静電型スピーカを駆動するための直流電圧を、電極膜２０に印加するための配線である。電圧線ＶＤＤおよび信号線ＶＡＵＤＩＯは、互いに絶縁されている。信号線ＶＡＵＤＩＯは、静電型スピーカに入力されるオーディオ信号を伝達する配線である。ここでオーディオ信号はＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号としてスピーカユニット１に入力される。電圧線ＶＤＤおよび信号線ＶＡＵＤＩＯは、基材１０上にパターンとして形成されている。なお説明を簡単にするため、電圧線ＶＤＤにより印加される電圧および信号線ＶＡＵＤＩＯにより供給されるオーディオ信号を、それぞれ、電圧ＶＤＤおよび信号ＶＡＵＤＩＯと表記する。
【００１８】
電圧線ＶＤＤは複数に分岐し、分岐した線は互いに平行に延びている。信号線ＶＡＵＤＩＯも複数に分岐し、分岐した線は互いに平行に延びている。電圧線ＶＤＤおよび信号線ＶＡＵＤＩＯは、互いに直交する方向に延びており、格子状のパターンを形成している。いまこの格子における１つのマス目を「セル」という。１つのセルには、１つの電極膜２０が形成されている。各セルにおいて、電圧線ＶＤＤと電極膜２０との間には、トランジスタ１００が配置されている。すなわち、本実施形態において、電極膜２０はマトリクス状に配置されている。
【００１９】
トランジスタ１００は、スピーカユニット１を駆動する素子、具体的には、電極膜２０に印加される電圧を制御するスイッチング手段として機能する素子である。トランジスタ１００は、電極膜２０に対して１つずつ設けられている。本実施形態において、トランジスタ１００は薄膜状に形成されたＦＥＴ（Field Effect Transistor、電界効果トランジスタ）である。トランジスタ１００のドレインは電圧線ＶＤＤに、ソースは電極膜２０に、ゲートは信号線ＶＡＵＤＩＯに、それぞれ接続されている。このようにトランジスタ１００は、電極膜２０と電圧線ＶＤＤとの間に介挿されている。なお、電極膜２０と電圧線ＶＤＤとの間に「介挿される」とは、電極膜２０と電圧線ＶＤＤとの間の電気的経路上のいずれかの位置に挿入されることをいう。電極膜２０と電圧線ＶＤＤとの間には、トランジスタ１００以外の素子が、トランジスタ１００と直列に接続されていてもよい。トランジスタ１００において、制御端子であるゲートに入力される信号に応じて、ソース−ドレイン間の電位差が変化する。このように、トランジスタ１００は、ゲートに入力される信号に応じてオン・オフが制御される、すなわち、ゲートに入力される信号に応じてスイッチング制御を行う。
【００２０】
電極膜２０の面積すなわち大きさは、例えば以下のように、トランジスタ１００の駆動電流の最大値に応じて決定される。いま、ＶＤＤ＝１００Ｖであり、スピーカユニット１全体の静電容量が２０００ｐＦである場合を例に説明する。なお、この静電容量は、電極膜２０の合計面積が３０ｃｍ×３０ｃｍ＝９００ｃｍ２、固定電極と振動電極との間のギャップが０．５ｍｍである場合の値である。
【００２１】
いま固定電極を１０００分割する場合、すなわち、複数の電極膜２０を３２×３１個のマトリクス状に配置する場合を考える（なお３２×３１は厳密には１０００ではないが、これは説明のための例示である）。電極膜２０の１つあたりの静電容量は２ｐＦである。１ｋＨｚのオーディオ信号が入力されると仮定すると、インピーダンスは約８０ＭΩであり、このとき流れる電流は約１．２μＡである。あるいは１０ｋＨｚのオーディオ信号が入力されると仮定すると、インピーダンスは約８ＭΩであり、このとき流れる電流は約１２μＡである。この程度の電流であれば、トランジスタ１００として、いわゆる低温ポリシリコンＴＦＴ（Thin Film Transistor）を用いることができる。電流値が大きすぎる場合には、分割数を増やせばよい。分割数を増やすことにより、より許容電流値が低いトランジスタを用いることが可能となる。
【００２２】
以上において、基材１０および電極膜２０の構成を説明したが、基材７０および電極膜６０の構成もこれと同様である。
【００２３】
図４は、スピーカユニット１を用いたスピーカシステム３の概略構成を示す図である。スピーカシステム３は、スピーカユニット１と、スピーカユニット１にオーディオ信号を出力するアンプ２を有する。三角波発振器２１は、三角波を生成し、出力する回路である。コンパレータ２２は、＋入力（三角波）と−入力（オーディオ信号）との比較結果に応じた電圧を出力する回路である。具体的には、コンパレータ２２は、＋入力と−入力とを比較して、＋入力の電圧の方が高いときはハイレベル（Ｈ）の電圧を、−入力の電圧の方が高いときはローレベル（Ｌ）の電圧を出力する。こうして、ＰＷＭ信号が生成される。増幅器２３は、入力されたＰＷＭ信号を増幅する回路である。アンプ２は、こうして生成されたＰＷＭ信号を出力される。アンプ２から出力されたＰＷＭ信号（すなわちオーディオ信号ＶＡＵＤＩＯ）は、ケーブル４を介してスピーカユニット１に入力される。
【００２４】
図４に示されるスピーカユニット１の構成は図１〜図３に記載された構成と異なっている点もいくつかあるが、基本的には図１〜図３で説明した説明したものと同一である。本実施形態において、トランジスタ１００ａ、トランジスタ１００ｂおよびフィルタＬＰＦは、基材１０の面のうち電極膜２０が形成された面と同じ面に、集積化されて形成されている。容量ＣＦは、静電型スピーカの主要部分である固定電極と振動電極により構成される容量である。フィルタＬＰＦは、ＰＷＭ信号を積分して元のオーディオ信号に戻す積分回路として機能する。トランジスタ１００ａおよびトランジスタ１００ｂは、ＰＷＭ信号に応じてオン・オフが切り替わるスイッチング回路を構成する。これにより、＋ＶＤＤまたは−ＶＤＤの電圧を示す信号が、フィルタＬＰＦを介して容量ＣＦ、すなわち電極膜２０に印加される。こうして、スピーカユニット１から音が出力される。
【００２５】
以上で説明したように本実施形態によれば、電極膜２０およびトランジスタ１００が基材１０上に形成されるので、このような構成を有しないものと比較してスピーカユニット１はよりコンパクトになる。また、従来のようにＤ級アンプが静電型スピーカと別体になっている場合、Ｄ級アンプと静電型スピーカの間のケーブルを、上述の例では２００ＶＰＰの高電圧の信号が流れることになる。これに対し本実施形態によれば、アンプ２とスピーカユニット１との間のケーブル４を流れる信号は、例えば３ＶＰＰ程度の信号でよい。いわゆる交流信号の引き回し用線材の規格は、例えば電気事業法などの規制を受けるが、本実施形態のように低電圧の信号を伝播するものであれば、法律などの制限が緩く設計の自由度が増す。
【００２６】
２．他の実施形態
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。なお、以下において上述の実施形態と共通する事項についてはその説明を省略する。また、以下で説明する変形例のうち１つ以上のものが、他の変形例と組み合わせて適用されてもよい。
【００２７】
２−１．変形例１
複数の電極膜２０に供給されるオーディオ信号ＶＡＵＤＩＯは、すべて同一でなくてもよい。すなわち、複数の電極膜２０は複数のグループに分けられてもよい。この場合、スピーカユニット１は、複数の信号線ＶＡＵＤＩＯを有する。複数の信号線ＶＡＵＤＩＯは、グループと１対１に対応する。すなわち、複数の信号線ＶＡＵＤＩＯは、それぞれ、異なるグループに対してオーディオ信号を供給するように配置される。このような構成により、例えば各グループに対し指向性制御されたオーディオ信号を供給すれば、スピーカユニット１から出力される音の指向性を制御することができる。
【００２８】
２−２．変形例２
図５は、変形例２に係るスピーカユニット１の可撓性を示す図である。この例では、基材１０および基材７０は、プラスチック、ＰＥＴ、ベーク、ガラスエポキシ材、その他の可撓性（柔軟性またはフレキシビリティ）を有する材料により形成される。基材１０および基材７０上にトランジスタ１００を形成するためには、半導体プロセスで与えられる温度に耐えられる材料を、基材１０および基材７０の材料として選択すればよい。例えばトランジスタ１００として低温ポリシリコンＴＦＴを用いる場合、３５０℃以上で硬化する熱硬化性材料を基材１０および基材７０に用いればよい。あるいは、トランジスタ１００としてアモルファス酸化物半導体を用いれば、基材１０および基材７０としてＰＥＴを用いることも可能である。この場合、トランジスタ１００の最大駆動電流が小さくなる可能性があるが、そのときでも電極膜２０の分割数を増やすように設計すればよい。このように可撓性を有する材料を用いれば、いわゆる「曲げられる」スピーカを作製することができる。
【００２９】
２−３．変形例３
図６は、透明材料を用いて形成された静電型スピーカを用いた表示システム５を示す図である。透明材料としては、例えば、基材１０および基材７０として、ガラスや透明なプラスチック材料が用いられる。電極膜２０および電極膜６０として、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＺｎＯ、ＳｎＯ２などの透明電極材料が用いられる。トランジスタ１００として、例えばＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系のアモルファス酸化物半導体が用いられる。振動膜４０として、ＰＥＴ上に透明電極材料で膜を形成したものが用いられる。このような透明スピーカを表示装置Ｄの前に配置すれば、ユーザに対し「映像面から音が出ている」と感じさせることができる。表示装置Ｄは、例えば、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）など、どのような表示装置でもよい。なおここで「透明」とは、光の透過率があるしきい値以上であることをいう。
【００３０】
２−４．他の変形例
ＰＷＭ信号に応じてスイッチングを行う回路の構成は、図４で例示したものに限定されない。要は、ＰＷＭ信号に応じて電圧の切り替えを行うものであればどのような回路が用いられてもよい。この場合、この回路のうちトランジスタ１００以外の要素は、トランジスタ１００と集積化されずに形成されてもよい。また、電極膜２０の配置は図４に例示したようなマトリクス状のものに限られない。千鳥状、同心円状、ランダムな配置など、どのように配置されてもよい。あるいは、スピーカユニット１は、単一の電極膜２０のみを有していてもよい。
また、図１および図２はスピーカユニット１の構成をあくまで模式的に示したものにすぎず、貫通孔Ｈの数、大きさおよび位置、ならびに基材１０の形状、その他スピーカユニット１の構成は、図１および図２に例示されたものに限定されない。例えば、クッション材８０および９０は省略されてもよい。すなわち、クッション材に代わり空気層が用いられてもよい。あるいは、振動膜４０がスペーサ３０およびスペーサ５０により支持される構造であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】一実施形態に係るスピーカユニット１の外観図である。
【図２】スピーカユニット１のＩ−Ｉ断面図である。
【図３】電極膜２０およびトランジスタ１００の配置を例示する図である。
【図４】スピーカユニット１を用いたスピーカシステム３の概略構成を示す図である。
【図５】変形例２に係るスピーカユニット１の可撓性を示す図である。
【図６】透明な静電型スピーカを用いた表示システムを示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…スピーカユニット、２…アンプ、３…スピーカシステム、４…ケーブル、５…表示システム、１０…基材、２０…電極膜、２１…三角波発振器、２２…コンパレータ、２３…増幅器、３０…スペーサ、４０…振動膜、５０…スペーサ、６０…電極膜、７０…基材、８０…クッション材、９０…クッション材、１００…トランジスタ
【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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