JP5201247B2

JP5201247B2 - 静電型スピーカ

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Publication number: JP5201247B2
Application number: JP2011168326A
Authority: JP
Inventors: 隆雄中谷; 泰明高野; 高史山川
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2011-08-01
Filing date: 2011-08-01
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2027-03-12
Also published as: JP2011244479A

Description

本発明は、静電型スピーカの構造に関する。

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、その構造が比較的簡易であるため、軽量、コンパクトに設計することができるという点、および理論的な取り扱いも簡単であるという点などにおいて注目されている。静電型スピーカは、典型的には、空隙を隔てて向かい合う２枚の平行平面電極と、電極の間に挿入されその両端等を筐体等に支持された導電性のシート状の部材（以下、振動板または振動膜という）とから構成される（いわゆるプッシュ・プル型）。振動膜に所定のバイアス電圧を印加しておき、電極に印加する電圧を変化させると、振動膜に作用する静電力は変化し、これにより振動膜は変位する。この印加電圧を入力楽音信号に応じて変化させれば、それに応じて振動膜は変位を繰り返し（すなわち振動し）、入力楽音信号に応じた音響波が振動膜から発生する。発生した楽音は、例えば金属板電極に空けられた孔やその他の多孔質層を通り抜けて外部へ放音される（特許文献１を参照）。

特表２００２−５１３２６３号公報（図１等）

しかしながら、電極として、例えば金属板に多数の貫通孔を形成したもの（いわゆるパンチングメタル）や、多孔質性材料を用いた場合、孔が全く無い場合に比べ、極板間に発生させる電場に寄与する部分（有効電極面積）が減少することになり、この結果、電極間の静電容量が低下して、印加電圧が同じでも振動膜に作用させる力（駆動力）が減少する（以下、有効電極面積の大きさを静電スピーカの静電容量性能という）。電極と振動膜との距離を大きくすれば、孔の影響は相対的に小さくなるが、スピーカのサイズが大きくならざるを得ないし、振動膜と電極との間の距離が大きくなると振動膜に作用する静電量が小さくなるため、音圧を維持するために印加電圧を多くする必要があるなるなどのデメリットがある。また、孔の大きさや数を小さくすることによっても孔の影響を小さくすることはできるが、この場合は音響透過性能が悪化する。

このように、従来の静電型スピーカにおいては、音響透過性能と静電容量性能の両立を図ることが困難であった。そこで、本発明は、音響透過率と有効電極面積を同時に一定の基準を満たす音響素子、および静電型スピーカを提供することを目的とする。

本発明は、一の態様において、静電力によって変位可能な振動膜と、前記振動膜に対向して設けられ網状構造を有する電極と、前記振動膜と前記電極との間に設けられる緩衝部材と、前記平面電極を前記振動膜の振動方向に支持する支持部とを有し、前記支持部は前記電極との接触面が曲面であることを特徴とする静電型スピーカを提供する。

好ましい態様において、前記電極は前記振動膜の両側に各々設けられる平面電極であって、前記電極を金属で構成したときと略同等の静電容量となる。

本発明に係る静電型スピーカによれば、音響透過性能と静電容量性能の両者に関して一定の基準が満たされる。

静電型スピーカ１の外観斜視図である。静電型スピーカ１の断面図である。静電容量特性についての実験データである。音響透過特性についての実験データである。静電型スピーカ２の断面図である。金網電極４０の詳細図である。静電容量特性についての実験データである。静電型スピーカ３の断面図である。支持部材５０の構造の一例を説明するための図である。支持部材５０の構造の他の例を説明するための図である。

＜実施例１＞
図１は、本発明の一実施例に係る静電型スピーカ１の大略構造の斜視図である。同図に示すように、静電型スピーカ１には、振動膜１０と、これに対向する２つの平行平面電極（以下、単に電極という）２０Ｌおよび２０Ｒと、振動膜１０および電極２０Ｌ、２０Ｒの間にそれぞれ設けられたクッション材３０Ｌ、３０Ｒとから大略構成される。同図では、電極２０Ｌ、２０Ｒの電極面がＸ方向およびＹ方向に固定されており、振動膜１０がこの電極面に垂直なＺ方向に振動することができる配置の例を示している。なお、以下、電極２０Ｌと２０Ｒの構造を同じであるので、両者を区別する必要が特に無い場合は「Ｌ」および「Ｒ」を省略することとする。「Ｌ」および「Ｒ」の省略については、他の構成要素についても同様である。

また、静電型スピーカ１は、図示せぬ電源から、所望の電圧がそれぞれの電極２０に印加されるとともに、振動膜１０上にバイアス電圧を印加される。電極２０への給電方法については従来技術を採用することができるため、給電に関係する構成要素は図示を省略している。静電型スピーカ１は、更に、外部から音声信号を入力する入力部を備え、この音声信号に応じて印加電圧の値を変化させることにより、振動膜１０に音声信号に応じた振動をさせることができるようになっている。振動膜１０の振動によって発生した音波は、少なくとも一方の電極２０を通り抜けてスピーカ外部に放音される。図面が煩雑になるのを防ぐため、音声信号生成や供給を行う構成要素についても、図示を省略している。

振動膜１０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）などのフィルムに金属膜を蒸着あるいは導電性塗料を塗布したものであって、例えば厚さ数ミクロン〜数十ミクロン程度の導電性の板状（膜状）部材である。あるいは、金属薄膜をラミネートしたものや、絶縁性フィルムに高電圧をかけて分極されたものであってもよい。また、振動膜１０は、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た固定手段（図示せず）において、所定の張力が振動膜１０に作用している状態で、例えばその縁の一辺が静電型スピーカ１の筐体（図示せず）に支持されていてもよいし、このような支持部を設けず、クッション材３０Ｌおよび３０Ｒの作用で支持されるような構成であってもよい。

電極２０は、その電極面の形状が正方形であり、静電型スピーカ１の筐体（図示せず）に固定される。このとき、振動膜１０から両電極２０Ｌ、２０Ｒまでの距離ｄ（例えば０．１〜１０ｍｍ程度）が等しくなるように配置される。換言すれば、対向する電極のちょうど中間の位置が、振動膜１０（正確には、信号が入力されていないときの状態である無変位状態における振動膜１０）の固定位置となる。なお、電極面の形状は正方形に限らず、例えば長方形や円形などであっても構わない。

図２は、静電型スピーカ１の電極面に垂直な方向の断面図であり、この図を用いて電極２０の詳細な構造を説明する。電極２０は、不織布層２０１および導電層２０２からなる。導電層２０２は、不織布層２０１の表面全面に亘って形成されるものであり、例えば不織布層２０１にアルミニウム等の金属をスパッタリングすることによって生成される。あるいは、不織布層２０１に金属印刷を行ってもよい。あるいは、不織布層２０１に導電性塗料を塗布してもよい。

ここで、不織布とはポーラス（多孔質）の構造繊維を持つ繊維であって、シート状の形状を有するものである。例えば、一定方向やランダムに集積して接着樹脂で化学的に結合させたり、機械的に絡ませたり、圧力をかけた水流で絡ませたり、熟融着繊維で結合させて作られる。本発明においては、孔のない平板電極を用いた場合と比べて静電容量が実質的に同じにとなるように、且つ空気透過性（すなわち音響透過性能）がパンチングメタル（以下、ＰＭ）を用いて電極を構成した場合と比べて高い構造を有する不織布を用いる。例えば、目付４０ｇ／ｍ＾２、厚み０．１ｍｍ、繊維径２デニールのものが好適である。ただし、本実施例に係る不織布は上記の値で特定される構造を有する物に限定されず、これ以外の値を有する構造のものを使用することができる。以下、静電容量性能および音響透過性能のそれぞれの観点から、好適な不織布の構造について更に説明する。

クッション材３０は、絶縁性材料から構成され、例えば、スポンジ、シート状の綿、絶縁性の不織布である。クッション材３０を挿入することにより、振動膜１０を筐体に対して支持し、または適度な弾性応力を振動膜１０に対して付与することが可能である。その機械的性質等は特に限定されないが、電極２０の空気透過性よりも大きい空気透過性を有するものであって、例えば空気透過率９５％以上ものが好ましい。

（１）静電容量性能
図３は、金属で構成された一対の平行平面電極（孔が開いていないもの）で測定した静電容量を１（１００％）とした場合に、片方の電極を同面積の上記例示した値の構造の不織布を用いた不織布を用いた電極（以下、不織布電極という）で置き換えて測定した静電容量の値と、幾つかの孔径および開孔率を有するＰＭで置き換えて測定した静電容量の値を、電極間隔とともに示したものである。図中、Ａは不織布電極で置き換えた場合のデータを示し、Ｅ〜Ｉは、孔径、開口率がそれぞれ｛２ｍｍ、２０％｝、｛２ｍｍ、４０％｝、｛３ｍｍ、４０％｝、｛６ｍｍ、４０％｝、｛８ｍｍ、４０％｝のＰＭで置き換えた場合のデータを示す。同図から判るように、ＰＭを用いた場合、電極間距離を小さくしていくと静電容量は著しく減少する。これは、上述したように、電極間距離が小さくなると孔の影響が大きくなるからである。これに対し本実施例に係る不織布電極を用いた場合、電極間距離を小さくしても静電容量の落ち込みがみられず、ほぼ一定の値（約１００％）をとっており、金属で構成された平面電極の場合と実質的に同等の静電容量性能を有するといえる。

（２）音響透過性能
図４は、一般的なスピーカと、そこから所定の距離離れた場所に当該スピーカから放音された音の周波数特性を解析する測定器を設置し、スピーカと測定器との間にＰＭを置いて測定を行った場合と、本実施例に係る不織布電極を置いて測定を行った場合に測定器で得られた周波数特性のずれ具合（音響波の歪み具合）を比較したものである。図中、ＰＭ（１）〜（３）はそれぞれ孔径を８ｍｍ、２ｍｍ、２．５ｍｍのＰＭを置いた場合のデータであり、ＮＷは不織布電極を置いた場合のデータである。スピーカと測定器との間に何も遮蔽物が無ければ、スピーカで放音された音と測定器の周波数特性は実質的に一致するので、得られるデータは周波数によらずゼロとなる。すなわち、ゼロからのずれが小さいほど音響透過性能が優れているといえる。遮蔽物としてＰＭを用いた場合、音波がＰＭを透過する際の影響で周波数帯によって測定器に到達までに音響波が歪められていることが判る。一方、遮蔽物として不織布電極を用いた場合、多少の歪みは測定されているが、ＰＭの場合に比べれば、音圧レベルにおいて総じて１／３〜１／４程度となっている。このように、本実施例に係る不織布で構成された電極２０は、一般的なＰＭに比べて音響透過性能の点で優れているといえる。

＜実施例２＞
図５は、本発明の他の実施例に係る静電型スピーカ２の断面図である。静電型スピーカ２が静電型スピーカ１と異なる点は、電極２０Ｒおよび２０Ｌに替えて電極４０Ｒおよび４０Ｌを用いる点である。
図６は、電極４０の構造の詳細を示したものである。同図に示すように、電極４０は金属等の導電性材料で形成された格子である。例えば、ＪＩＳ規格Ｇ３５５５、３５５６等の織金網であって、メッシュ♯２０〜＃５００のものを用いることができる。ここで、メッシュとは一辺における２５．４ｍｍ間の目数をいう。
図７は、一対の平行平面金属電極（孔が開いていないもの）で測定した静電容量を１（１００％）とした場合に、片方の電極を同面積の上記例示した値の構造の金網を用いた不織布を用いた電極（金網電極という）で置き換えて測定した静電容量の値（有効静電容量という）と、幾つかの孔径および開口率を有するＰＭで置き換えて測定した静電容量の値を、電極間隔とともに示したものである。図中、Ｂ〜Ｄはそれぞれ金網電極で置き換えた場合のデータを示し、Ｅ〜Ｉについては、図３で示したＰＭのデータと同じである。同図から判るように、本実施例に係る金属電極を用いた場合、電極間距離を小さくしても静電容量の落ち込みはＰＭを用いた場合に比べて僅かである。例えば、電極間隔を１ｍｍにしても９５％以上の有効静電容量を得ることができる。
例えばメッシュ♯４０、線径０．１６ｍｍの平織の金網を用いた場合、音響透過性能に影響する空間率（ＰＭにおける開孔率に相当）は、約４０％となる。すなわち、本実施例に係る電極４０を用いれば、ＰＭと同等の音響透過性能を実現しつつ、同程度の開孔率を有するＰＭより高いも静電容量性能が得られる。
なお、電極４０に用いる金網としては、例えばオーディオ用スピーカとして用いる場合に音響透過性能を実質的に悪化させないような空間率（例えば２０〜５０％）であれば、織り方、線径、目合い、材質については任意のものを用いることができる。

＜その他の実施例＞
図８は、本発明に係る静電型スピーカ３の断面図を示したものである。同図に示すように、静電型スピーカ３は、静電型スピーカ１の電極２０Ｌ、２０Ｒの外側にそれぞれ支持部材５０Ｌ、５０Ｒを設けて構成される。支持部材５０は、例えば金属素材で構成され、好ましくは螺旋状のスプリングに三角形の形状をしたワイヤーを巻きつけてなる、曲げた形状を保持して屈曲耐久性にも優れたいわゆるフレキシブルチューブが用いられる。また、支持部材５０は筐体に固定されてもよいし、電極２０に固定されても良いが、電極２０に固定する場合は固定部に所定の絶縁処理が施される。
図９は、支持部材５０の構造を説明するための図である。同図に示すように、支持部材５０は、音響透過性能を実質的に損なわないよう格子形状をしている。この形状は、例えば上記フレキシブルチューブを編みこむことによって得ることができる。
電極２０を構成する不織布が一定の柔軟性を有するもの（例えばシート状のもの）である場合、印加電圧や電極２０の設置条件によってはなどの条件によっては、自身の弾性のために電極２０が撓む場合がある。電極２０が内側に力がかかっても、クッション材３０があるために撓みをある程度抑制することができるが、外側に力がかかった場合、電極２０は撓みが発生する。しかし、本実施例によれば、電極２０の外側に支持部材５０を用いることで、その撓みを防止することができる。

さらに、図１０に示すように、支持部材５０を予め同図ｚ方向に撓ました状態で固定しておくことも可能である。図１０に示す例では、支持部材の中央が最も撓んであり、周囲にいくに従って撓みが緩やかになるように構成されている。この場合、電極２０の撓み具合を所定の形状（例えば図１０に示す場合のように放物面形状）に強制することができる。この撓み具合を調節することにより、電極２０から放音される音響波の指向特性を制御することが可能となる。

上記実施例においては、クッション材３０を電極２０と振動膜１０との間に設けた例を示したが、クッション材３０を省略してもかまわない。この場合、振動膜１０と電極との接触を防ぐため、例えば振動膜の四隅にスペーサを設けておくのが好ましい。

また、電極２０に用いた上述した構造を有する絶縁性不織布でクッション材３０を構成し、このクッション材３０の外側（すなわち電極側）表面に導電層を設けてもよい。この場合、電極２０を設けず、クッション材３０に電極２０の機能を兼ねさせることができる。

また、実施例１において、不織布の表面に導電層が形成された電極２０の例を示したが、この層の厚みは任意である。要は、本発明に係る電極を構成する不織布は上述した音響透過性能および静電容量性能を発揮する構造のものであればよく、必ずしも層構造になっている必要はない。例えば、繊維の一本一本に導電性を持たせ、不織布の内部の任意の場所で導電性を有するようなものでも構わない。

支持部材５０を設ける箇所は電極２０または４０の外側に限らず、内側（すなわち、振動膜１０（あるいはクッション材３０）と電極２０または４０の間）に設けてもよいし、内側と外側の両方であってもよい。

以上説明した実施例においては、静電型スピーカの構成要素として、振動膜１０、電極２０または４０、クッション材３０および支持部材５０について、特定の組み合わせのみを例示したが、これは説明の便宜上のためであり、例えばクッション材３０の有無および支持部材５０有無について、上述した以外の任意の組み合わせを採用することが可能である。

また、以上説明した実施例においては対向する一対の電極２０または４０を用いたプッシュ・プル型の静電型スピーカの例を示したが、これに限らず、本発明に係る電極を１つのみ用いてプッシュ型の静電型スピーカを構成することも可能である。

１、２、３・・・静電型スピーカ、１０・・・振動膜、２０、２０Ｌ、２０Ｒ、４０Ｌ、４０Ｒ・・・電極、・・・不織布電極、３０Ｌ、３０Ｒ・・・クッション材、５０Ｌ、５０Ｒ・・・支持部材、２０１Ｌ、２０１Ｒ・・・不織布層、２０２Ｌ、２０２Ｒ・・・導電層

Claims

静電力によって変位可能な振動膜と、
前記振動膜に対向して設けられ網状構造を有する電極と、
前記振動膜と前記電極との間に設けられる緩衝部材と、
前記平面電極を前記振動膜の振動方向に支持する支持部と
を有し、
前記支持部は前記電極との接触面が曲面である
ことを特徴とする静電型スピーカ。
前記電極は、前記振動膜の両側に各々設けられる電極であって、
前記電極を金属で構成したときと略同等の静電容量となる
ことを特徴とする請求項１に記載の静電型スピーカ。