JPH09182190A

JPH09182190A - スピーカ装置

Info

Publication number: JPH09182190A
Application number: JP35075095A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Ohashi; 芳雄大橋; Takahisa Tagami; 隆久田上; Masaru Uryu; 勝瓜生
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-12-26
Filing date: 1995-12-26
Publication date: 1997-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】静電型スピーカ装置において、音圧及び振動
振幅について良好な周波数特性が得られるようにする【解決手段】固定電極面上の各部についての振動体面
までの離間距離が、振動体に加わる駆動力が振動体の固
有振動モードの面方向の変位分布に比例する状態となる
ように、固定電極の面形状を設定する。即ち、図１のよ
うに固定電極３０Ａ，３０Ｂの面形状を湾曲させ、固定
電極面上の各部からの振動体面までの距離を各位置に応
じて異なるようにし、振動体に加わる駆動力が振動体の
固有振動モードの面方向の変位分布に比例するようにす
ることで、ある単一の共振モードしか発生しない静電型
スピーカを実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はスピーカ装置に関
し、特に静電型スピーカを使用したスピーカ装置に適用
して好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば一対の固定電極を対向配置し、か
つこの固定電極間に振動体を配するようにしてスピーカ
ユニットを構成した静電型スピーカが知られている。こ
の静電型のスピーカユニットに対しては、一対の固定電
極間に駆動信号を印加するとともに、振動体の電極と固
定電極との間に直流バイアス電圧を印加することによ
り、駆動信号に応じた音圧を発生させる。

【０００３】図６は本出願人が先に提案した構造技術に
かかる静電型スピーカユニットの外観図であり、図７は
その断面図である。このスピーカユニット１は、フレー
ム２，フレーム３がネジＮによって接合されて形成され
ている。そして図７（ａ）から分かるようにフレーム
２，フレーム３の内方には固定電極４Ａ，４Ｂが対向状
態で配されている。この固定電極４Ａ，４Ｂは、フレー
ム２，フレーム３の中央に形成されている開口部２ａ，
３ａから外部に露出されている。また、図６からわかる
ように固定電極４Ａ（及び４Ｂ）は長方形状の平板とさ
れ、多数の開口Ｈが形成される。

【０００４】固定電極４Ａ，４Ｂの間隙部分には振動膜
９が配される。この振動膜９の周囲端部は金属枠体７及
び振動体電極８によって挟持され、弾性体６を介してフ
レーム２，３内に装着される。振動膜９は例えばポリエ
ステルフィルムに導電性の薄膜を施して形成されてい
る。

【０００５】固定電極４Ａ，４Ｂの間隙に位置する振動
膜９は、固定電極４Ａ及び４Ｂに対して所定長のエアギ
ャップが設けられる。図７（ｂ）に拡大して示すように
固定電極４Ａ及び４Ｂの周辺部位にはスペーサ５Ａ，５
Ｂが配され、振動膜９はスペーサ５Ａ，５Ｂによって挟
接された状態となっており、即ち、スペーサ５Ａ，５Ｂ
の厚みによってエアギャップの長さ（固定電極４Ａと振
動膜９の離間距離ｄ_a及び固定電極４Ｂと振動膜９の離
間距離ｄ_b ）が高精度に設定されるように構成されてい
る。

【０００６】例えばこのような構造のスピーカユニット
に対して、図８のような回路で駆動信号及びバイアス電
圧が印加される。即ち、昇圧トランス１１の１次巻線側
に商用電源が入力されるように構成し、この昇圧トラン
ス１１の２次巻線側を、ダイオード１２〜１８及びコン
デンサ１９〜２６により形成された多段倍電圧整流回路
に接続している。そして、この多段倍電圧整流回路の出
力をトランス３０の２次巻線側の中間タップに接続して
いる。

【０００７】トランス３０の２次巻線はそれぞれ抵抗２
８，２９を介して固定電極４Ａ，４Ｂに接続されてお
り、また、昇圧トランス１１の２次巻線の一端は抵抗２
７を介して端子Ｔ_C から振動体電極８（即ち振動膜９）
に接続されているため、振動膜９と固定電極４Ａ、及び
振動膜９と固定電極４Ｂの間に直流バイアス電圧が印加
されることになる。この直流バイアス電圧は例えば2.5K
V という高い電圧とされる。

【０００８】また、このスピーカ装置が接続されている
パワーアンプからは、トランス３０の１次巻線側に接続
されている端子間に音声信号が供給される。この音声信
号が抵抗３１を介してトランス３０の１次巻線側に流れ
ると、トランス３０によって昇圧され２次巻線側に駆動
信号としてあらわれることになり、この駆動信号が端子
Ｔ_F ，Ｔ_R から固定電極４Ａ，４Ｂに印加される。

【０００９】このような静電型スピーカの場合において
駆動力Ｆは、クーロンの法則に基づいて一般的に、

【数２】であらわされることになる。ただし、ｑ₁ ，ｑ₂ は各電
極の電荷、ｒは電極間の距離、Ｋは比例定数である。静
電型スピーカはこのように表わされる駆動力Ｆによって
動作される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところでこのようなス
ピーカ装置では、固定電極４Ａ，４Ｂは略長方形状とさ
れ、振動膜９に対向する電極面の全面は振動膜９に対し
て平行となる。つまり電極面上のどの部位であっても、
振動膜９に対する離間距離は図７に示したｄ_a （ｄ_b ）
となる。従って、振動膜９に与えられる駆動力は、振動
膜９の全膜面に対して均一なものとなる。

【００１１】ここで、印加電圧により振動膜９の全面に
対して均一な駆動力Ｆとして、Ｆ＝Ｆ₀ sin(ωｔ) が生じた場合を考える。このときの振動膜９の変位分布
ｚの周波数特性は（数３）のようになる。

【数３】ただし、ｍ，ｎは振動膜９の固有振動モードの次数、Ξ
は規準関数で固有振動の変位分布を表わす。またＶは体
積、Ｍは振動膜９の全質量、ω_m,n ，ωは、ｍｎ次の共
振角周波数、角周波数である。

【００１２】例として、略長方形状の振動膜９の辺の長
さが、ｘ軸方向にａ、ｙ軸方向にｂである場合について
説明する。ｘ，ｙ軸については、図６に示したように振
動膜９の平面方向にみて、長手方向がｘ軸方向、短手方
向がｙ軸方向とする。この場合、固有振動モードの変位
分布は（数４）で表わされる。

【数４】

【００１３】この（数４）を上記（数２）に代入するこ
とにより、振動膜９の変位分布ｚについては、

【数５】が導かれる。

【００１４】この（数５）で表わされる振動モードの一
部として４種類の共振モードを例示したものが図５
（ａ）〜（ｄ）である。図５（ａ）は上記（数５）にお
ける（ｍ，ｎ）＝（１，１）である場合の共振モードを
示し、即ち或る周波数において振動膜９の全膜面が同一
方向に振動している状態である。またこれより高い周波
数において（ｍ，ｎ）＝（３，１）となると、図５
（ｂ）のように長手方向（ｘ軸方向）に山／谷／山とい
う振動が表われるモードとなる。

【００１５】図５（ｃ）は（ｍ，ｎ）＝（１，３）とな
るときのモードであり、短手方向（ｙ軸方向）に山／谷
／山という振動が表われ、さらに（ｍ，ｎ）＝（３，
３）となるときのモードとしては、図５（ｄ）のように
長手方向及び短手方向に複合的に山と谷が表われる振動
状態となる。

【００１６】このように振動膜９には多数の共振モード
が生じることになり、これにより周波数特性は図９のよ
うになる。なお図９においては（ｍ，ｎ）の値が（１，
１）（３，１）（５，１）（７，１）のモードの共振に
よる影響部位を示しておく。

【００１７】以上のように多数の共振モードが生じるこ
とにより、固定電極４Ａ，４Ｂの振動膜９に対向する電
極面の全面が振動膜９に対して平行となるスピーカ装置
では、次のような問題が生じていた。まず図９から分か
るように、振動膜９の膜中心の振幅の周波数特性にピー
クディップが生じ、滑らかな特性とすることができな
い。そして使用帯域内に多くの共振が生じることから、
出力される音圧の周波数特性にピークディップが生じる
ことになる。特に図５（ｂ）（ｃ）（ｄ）で例示したよ
うな、逆位相で振動している共振モードに相当する周波
数帯域では、音圧が低くなってしまう。

【００１８】即ち、音圧及び振動振幅について良好な周
波数特性が得られないという問題があった。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような問題
点に鑑みて、固定電極と振動体を対向状態に配置し、固
定電極に駆動信号を印加するとともに、振動体の電極と
固定電極との間にバイアス電圧を印加することにより、
振動体に駆動信号に応じた駆動力を与え、音圧を発生す
るスピーカ装置において、音圧及び振動振幅について良
好な周波数特性が得られるようにすることを目的とす
る。

【００２０】このため固定電極面上の各部についての振
動体面までの離間距離が、振動体に加わる駆動力が振動
体の固有振動モードの面方向の変位分布に比例する状態
となるように、固定電極の面形状を設定する。即ち、固
定電極の面形状を例えば湾曲させ、固定電極面上の各部
からの振動体面までの距離を各位置に応じて異なるよう
にし、振動体に加わる駆動力が振動体の固有振動モード
の面方向の変位分布に比例するようにすることで、ある
単一の共振モードしか発生しない静電型スピーカを実現
する。例えば固定電極面上の各部からの振動体面までの
距離を（ｍ，ｎ）＝（１，１）モードの変位分布に比例
させれば、図５（ａ）のような共振モードのみを持つ静
電型スピーカが実現できる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図５により本発明の
スピーカ装置の実施の形態を説明する。本例のスピーカ
装置の断面図を図２に、またスピーカユニットに対して
駆動信号及びバイアス電圧が印加する回路系を図３に示
す。ただし、本例のスピーカ装置では、固定電極の形状
及びそれに付随する部位が図６〜図８で示した先行技術
例と異なるものであり、図２、図３において図７，図８
と同一機能部分については同一符号を付し、説明を省略
する。

【００２２】図２、図３に固定電極３０Ａ，３０Ｂにつ
いて断面形状を示しているとおり、固定電極３０Ａ，３
０Ｂは、振動膜９に対向する面が湾曲された状態に形成
されている。そして図２のように、断面湾曲形状の固定
電極３０Ａ，３０Ｂのエッジ部分がスペーサ３１Ａ，３
１Ｂ及びスペーサ５Ａ，５Ｂを介して、フレーム２，フ
レーム３の間に振動膜９を挟み込んだ状態で固定され
る。

【００２３】なお図示は省略するが、この場合も固定電
極３０Ａ，３０Ｂは、図６示した例における固定電極４
Ａ（４Ｂ）と同様に、フレーム２，フレーム３の中央に
形成されている開口部２ａ，３ａから外部に露出され、
また、振動膜９により発生される音圧を外部に導くため
の多数の開口が形成されている。

【００２４】固定電極３０Ａ，３０Ｂ及び振動膜９につ
いての配置状態及び形状を示したものが図１である。な
お図１では固定電極３０Ａ，３０Ｂの形状をわかりやす
くするため、ｘ，ｙ平面座標に相当する等間隔線を書き
入れている。この図１から分かるように固定電極３０
Ａ，３０Ｂはそれぞれ振動膜９に対向する面が凸状に膨
らんだような形状とされ、このため、ｘ，ｙ座標平面と
してみた場合、固定電極３０Ａ，３０Ｂの各座標位置か
ら振動膜９までの距離は均一なものではなくなってい
る。

【００２５】即ち本例では、固定電極３０Ａ，３０Ｂの
各座標位置から振動膜９までの距離は、振動膜９に加わ
る駆動力が振動膜９の固有振動モードの面方向の変位分
布に比例する状態となるように、固定電極の面形状を設
定するものであり、以下このことについて説明してい
く。

【００２６】固定電極３０Ａ，３０Ｂについて面方向
に、振動膜９までの距離について分布を持たせることと
は、振動膜９へ与える駆動力について分布を持たせるこ
とを意味する。この駆動力分布を振動膜９の固有振動モ
ードとして（ｍ，ｎ）＝（１，１）モードに比例させる
とする。即ち駆動力Ｆ₀ について、

【数６】とする。この式を上述した（数３）に代入する。規準関
数の直行性より、ｍ＝１，ｎ＝１以外については、（数
３）の分子部分、即ち『∫（Ｆ₀ Ξ_m,n ）ｄＶ』の項に
ついては、

【数７】となる。

【００２７】これを用いると、上述した（数５）は、ｍ
＝１，ｎ＝１の項だけで表わされた（数８）とすること
ができる。

【数８】つまりこの（数８）より、図５（ａ）に示したような
（ｍ，ｎ）＝（１，１）モードの共振しか表われないこ
とがわかる。即ち振動膜９に対する駆動力Ｆ₀ の分布を
振動膜９の固有振動モードに比例させることにより、単
一の共振モードのみを発生させることができる。

【００２８】このような原理に基づいて、実際に単一共
振を得るようにするための手法を説明する。振動膜９に
働くクーロン力は、

【数９】となる。なお、ε₀ は空気の誘電率、Ｓは振動膜９の面
積、Ｖ_dcは直流バイアス電圧、Ｖ_sgは信号電圧、ｄ₀ は
振動膜９と固定電極（３０Ａ，３０Ｂ）の離間距離を示
す。

【００２９】この（数９）より、駆動力Ｆ₀ は、振動膜
９と固定電極（３０Ａ，３０Ｂ）の離間距離の２乗に反
比例することがわかる。従って、振動膜９と固定電極
（３０Ａ，３０Ｂ）の離間距離を振動膜９の面方向にわ
たり分布をつけるようにすれば、振動膜９に対して駆動
力分布をもたせることができる。

【００３０】このため、固定電極３０Ａ，３０Ｂの面形
状を図１に示したようにし、振動膜９に対する離間距離
をΞ_1,1 の−１／２乗に比例させるように構成すること
により、（ｍ，ｎ）＝（１，１）モードの共振のみが表
われるスピーカ装置を形成することができる。Ξ_1,1 の
−１／２乗は（数１０）で表わせられる。

【数１０】ただし、ａは振動膜９のｘ座標方向の長さ、ｂは振動膜
９のｙ座標方向の長さとする。

【００３１】従って、ｘｙ座標平面で考えた場合、各ｘ
ｙ座標点における振動膜９と固定電極（３０Ａ，３０
Ｂ）の離間距離をｄ_xyとすると、この離間距離をｄ
_xyは、

【数１１】により設定すればよい。ただしｋは任意の係数であり、
設計時に決定する値とする。この（数１１）に基づいて
振動膜９の面方向の離間距離の分布が得られるようにし
た固定電極３０Ａ，３０Ｂの形状が、図１に示したもの
である。

【００３２】以上のような本例のスピーカ装置では、
（ｍ，ｎ）＝（１，１）モードの共振のみが表われるこ
とになり、周波数特性は図４に示したようなものとな
る。即ち、音圧、振動振幅の周波数特性にピークディッ
プが生じない良好な特性を得ることができる。

【００３３】以上実施の形態としての一例を説明してき
たが、本発明は要旨の範囲内で各種変形可能である。例
えば固定電極や振動膜がより多数個用いられ、それらが
積層状に配されたり、内外周方向に入れ子状に配された
り、又は平面方向に並べられて配されるスピーカ装置な
どでも本発明は適用できる。また上記例では長方形状の
振動膜を採用する場合について説明したが、振動膜の形
状はどのようなものでもよい。いづれにしても、固有振
動モードを測定もしくは解析してそれに比例した駆動力
分布を持たせる（つまり固定電極との間の離間距離に分
布を持たせる）ようにすればよい。

【００３４】また上記例では（ｍ，ｎ）＝（１，１）モ
ードの共振のみが表われるようにしたが、例えば（ｍ，
ｎ）＝（３，１）モードなど、他の共振のみが表われる
ようにすることも同じ原理により可能である。

【００３５】さらに上記例は二枚の固定電極により振動
膜を挟み込む形状の静電型スピーカ装置について説明し
たが、一枚の固定電極で振動膜を片側から駆動する静電
型スピーカ装置でも同様に本発明を採用できることはい
うまでもない。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明のスピーカ装
置は、固定電極面上の各部についての振動体面までの離
間距離が、振動体に加わる駆動力が振動体の固有振動モ
ードの面方向の変位分布に比例する状態となるように、
固定電極の面形状を設定することにより、ある単一の共
振モードしか発生しない静電型スピーカを実現し、振動
体による、音圧、振動振幅の周波数特性を、ピークディ
ップの生じない良好な特性とすることができるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の固定電極の形状の説明図
である。

【図２】実施の形態の固定電極のスピーカユニットの断
面図である。

【図３】実施の形態のスピーカユニットの駆動回路系の
回路図である。

【図４】実施の形態のスピーカ装置の周波数特性の説明
図である。

【図５】各種の共振モードの説明図である。

【図６】静電型スピーカユニットの外観の説明図であ
る。

【図７】静電型スピーカユニットの断面図である。

【図８】静電型スピーカユニットの駆動回路系の回路図
である。

【図９】先行技術におけるスピーカ装置の周波数特性の
説明図である。

【符号の説明】

１スピーカユニット２，３フレーム５Ａ，５Ｂ，３１Ａ，３１Ｂスペーサ７金属枠体８振動体電極９振動膜３０Ａ，３０Ｂ固定電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定電極と振動体を対向状態に配置し、
前記固定電極に駆動信号を印加するとともに、前記振動
体の電極と前記固定電極との間にバイアス電圧を印加す
ることにより、前記振動体に前記駆動信号に応じた駆動
力を与え、音圧を発生するスピーカ装置において、前記固定電極面上の各部についての振動体面までの離間
距離が、前記振動体に加わる駆動力が振動体の固有振動
モードの面方向の変位分布に比例する状態となるよう
に、前記固定電極の面形状が設定されていることを特徴
とするスピーカ装置。
【請求項２】前記固定電極及び前記振動体の面方向の
各部をｘ，ｙ座標で表わしたときに、前記固定電極面上の各ｘ，ｙ座標点についての前記振動
体面までの離間距離ｄは、【数１】により求められる距離ｄとしたことを特徴とする請求項
１に記載のスピーカ装置。ただし、ａは振動体のｘ座標
方向の長さ、ｂは振動体のｙ座標方向の長さ、ｋは係数
とする。