JP2008236224A - 静電型スピーカ - Google Patents

Abstract

【課題】振動膜の場所ごとに、電極までの距離を調節することができる静電型スピーカを提供する。
【解決手段】本発明に係る静電型スピーカ（１）は、対向して離間配置される第１電極（２０Ｕ）および第２電極（２０Ｌ）と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられる第１弾性部材（４０）と、前記第１弾性部材の形状を構成する少なくとも前記第１電極に対向する第１面（Ｐｕ）と前記第２電極に対向する第２面（Ｐｄ）を覆う、静電力によって変位可能な振動膜（１０）と、前記第１面と前記第１電極との間および前記第２面と前記第２電極との間にそれぞれ設けられる第２の弾性部材（３０Ｕ、３０Ｌ）とを有する。
【選択図】図１

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と放音される。また静電型スピーカとして、例えば非特許文献１に記載された、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も知られている。
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

振動膜に作用する静電力の大きさは、振動膜と電極との距離に反比例する。振動膜全面が分割振動せず均一な運動をすることを理想と考えると振動膜に振動膜全体に出来るだけ均一に静電力を作用させたほうが好ましいが、このためには振動膜と電極を高い精度で平行に配置する必要がある。ただし、この配置の精度が十分高い場合であっても、電極自体が歪んでいては高い平行度を実現することはできないから、電極の面精度についても所定の精度が要求される。ここで、電極としては、典型的には金属の板に音波透過性を担保するための孔を空けたパンチングメタル（ＰＭ）が用いられるが、加工時に受ける機械的な力によってわずかながら歪みが発生する可能性がある。あるいは電極素材としての金属板自体の面精度が十分確保されていない場合もありうる。
このように、電極と振動膜とを平行にすること（換言すれば両者の距離を一定に保つこと）を高い精度で行うことは電極の加工コストや手間がかかる上、容易ではない。

また、静電型スピーカを含む平面型のスピーカにおいては、２次元の発音体である振動膜を用いるという構造上、音波の放射面積が大きくなるため、生成される音波は所定の指向特性を有する。典型的には、ある方向（例えば振動膜の正面方向）にはその音圧が極大（主極大または副極大）となるが、他の方向（例えば斜めの方向）には音圧が極小となるような音圧分布特性が現れることが知られている。スピーカの利用目的や環境によっては、このような指向特性は好ましくないので、発生する音響波の指向特性を補正・制御する方法が試みられている。すなわち、振動膜と電極間の電圧を場所ごとに意図的に異ならせることによって、振動膜に作用する静電力を振動膜の場所ごとに異ならせるのである。具体的には、金属板に曲げ加工を施したものを電極として用いる方法である。この方法だと、確かに振動膜と電極との距離を場所ごとに異ならせることはできるが、高い精度で所望の曲げ加工を電極に施すのは容易でない。また、平面電極を複数のサブ電極から構成し、サブ電極ごとに振動膜までの距離を異ならせる方法も考えられる。この方法だと、原理的には、任意の場所に所望の静電力を作用させることができるが、この精度を上げるためには各サブ電極の数を多くする必要があり、必然的に電極自体の構造や各サブ電極への給電方法が複雑になってしまう。
本発明は、上述した背景に鑑みてなされたものであり、振動膜の場所ごとに、電極までの距離を調節することのできる静電型スピーカを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、一の態様において、対向して離間配置される第１電極および第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられる第１弾性部材と、前記第１弾性部材において、少なくとも前記第１電極に対向する第１面と前記第２電極に対向する第２面とを覆う、静電力によって変位可能な振動膜と、前記第１面と前記第１電極との間および前記第２面と前記第２電極との間にそれぞれ設けられる第２の弾性部材とを有する静電型スピーカを提供する。

好ましい態様において、前記第１面から前記第１電極までの距離と前記第２面から前記第２電極までの距離とは、同一である。

他の好ましい態様において、前記振動膜はＵ字型の断面形状を有する。

更に他の好ましい態様において、前記振動膜は、前記第１面に設けられる第１振動膜と、前記第２面に設けられる第２振動膜とから構成される。

本発明に係る静電型スピーカによれば、振動膜の場所ごとに、電極までの距離を調節することができる。

＜実施例＞
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）２０Ｕおよび２０Ｌと、振動膜と電極２０Ｕ、２０Ｌの間にそれぞれ設けられたクッション材３０Ｕおよび３０Ｌとから大略構成される。同図では、電極２０Ｕ、２０Ｌ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、以下では、電極２０Ｕと２０Ｌの構造が同じであるので、両者を区別する必要が特に無い場合は「Ｌ」および「Ｕ」を省略することとする。「Ｌ」および「Ｕ」の記載の省略については、他の構成要素についても同様とする。なお、以下の図で表された振動膜、クッション材、電極等の各構成要素の厚さの比率は、説明の便宜上設定されたものであり、必ずしも実寸を反映しているわけではない。

なお、静電型スピーカ１には、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にバイアス電圧が印加される。電極２０への給電方法については周知の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。更に、静電型スピーカ１は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。また、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。

クッション材３０は、縦横各々Ｗの長さを有する正方形の平面を持つ、厚さｄ２の直方体である。クッション材３０は絶縁性素材で構成され、緩衝材として機能する。例えば、スポンジ、シート状の綿、あるいは絶縁性の不織布が用いられる。電極２０と振動膜１０との間にクッション材３０を設けることで、振動膜１０を筐体に対して支持し、かつ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％以上ものが採用される。クッション材３０Ｕおよび３０Ｌの材質および厚みは等しく、従ってその機械的特性（弾性率等）も等しい。

電極２０は、縦横がそれぞれＷの大きを有する電極面を有し、板状の部材である。例えば、金属板に音響透過性を担保するための貫通孔が開けられたパンチングメタル（ＰＭ）である。電極２０Ｕおよび２０Ｌは、距離Ｄだけ離間配置された状態（正確には、電極２０Ｕの下側表面と電極２０Ｌの上側表面の間の距離がＤとなる状態）で静電型スピーカ１の筐体（図示せず）に固定される。あるいは、電極２０として、ＰＭではなく、金網や導電性不織布などの多孔質の導電性素材を用いてもよい。

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）の素材を用いて形成される。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、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。

端部ＲでＵ字型に畳み込まれた振動膜１０の内側には、クッション材４０が設けられる。クッション材４０の両面と片側の側面を覆うように振動膜１０が配置される。これにより、振動膜１０は、振動膜領域Ｐｕが電極２０Ｕと対向し、振動膜領域Ｐｄが電極２０Ｌと対向し、端部ＲでＵ字型に畳み込まれた状態で、クッション材４０とクッション材３０Ｕおよび３０Ｌから受ける圧力によって支持される。クッション材４０は、厚みｄ１、縦横それぞれＷのほぼ直方体であるが、１つの側面（Ｒ）では曲面を有する。この結果、電極２０および振動膜の両面は平行に保たれる。このクッション材４０は、電極２０Ｕ、２０Ｌ間のちょうど中間の位置（Ｃ）に配置される。この配置により、振動膜１０の上面から電極２０Ｕまでの距離（ｄ２）と、振動膜１０の下面から電極２０Ｌまでの距離（ｄ２）は等しくなる。なお、同図では、図面が煩雑となるのを防ぐため、振動膜が振動（変位）していない状態を示したものである。以下の図においても、振動膜が変位していない状態を示すこととする。クッション材４０の材質は、クッション材３０のそれと同一である。

この配置において、例えばＷは０．１〜１ｍ、Ｄは０．１ｍｍ〜５ｍｍ程度であるから、Ｗに比べてｄ１は十分に小さい。振動膜１０が振動する領域は、実質的には、振動膜領域ＰｕとＰｄのみであるとみなすことができる。ここで、クッション材４０が上述した位置に配置されているため、振動膜領域Ｐｕが電極２０Ｕから受ける静電力と、振動膜領域Ｐｄが電極２０Ｌから受ける静電力とは常に大きさが等しい。ここで、クッション材３０Ｕおよび３０Ｌの材質および厚さは同じであり、振動膜領域Ｐｕと電極２０Ｕとの距離と、振動膜領域Ｐｄと電極２０Ｌとの距離も等しく、両振動膜領域Ｐｕ、Ｐｄは等電位に保たれている。従って、静電型スピーカ１は、一枚の振動膜と距離ｄ２だけ離間配置した一対の平行平面電極によって形成される従来の静電型スピーカを上下に２つ重ねたシステムと等価である。よって、楽音を発生させるための給電方法として特殊なものを用いる必要は無く、従来と同じものを用いることができる。

次に、図２を用いて、面精度が悪い（すなわち歪んでいる）電極２１を用いた場合の好適な実施例について説明する。図２は、共に内側（振動膜側）に撓んでいる電極２１Ｕおよび２１Ｌを用いた従来および本発明に係る静電型スピーカの断面構造を示したものである。このような電極２１を用いた場合、振動膜９０１、クッション材３０および電極２１で構成される従来の静電型スピーカ９００は、図２（ａ）に示すような構造となる。図２（ａ）に示すように、電極２１の撓みに起因して、中央部Ｐｃにおける振動膜９０１から電極２１までの距離ｓと、周縁部Ｐｅにおける振動膜９０１から電極２１までの距離ｓとが等しくならない。これは、振動膜９０１の場所によって、作用する静電力が異なることを意味する。振動膜９０１がこのような状態にあると、振動膜９０１の運動が均一でなくなり、結果的に発生する音響波の指向特性が乱れる可能性がある。

これに対し、本発明を適用した場合における静電型スピーカ２の断面構造の例を示したのが図２（ｂ）である。図２（ｂ）に示すように、Ｕ字型の電極２１とその内部に設けられたクッション材４１とを備えた静電型スピーカ２においては、振動膜領域ＰｄおよびＰｕの全ての場所で、電極２１までの距離ｓが等しくなっていることがわかる。すなわち、振動膜領域ＰｄおよびＰｕにおいては、全ての場所で等しい静電力が働き、理想的な振動を発生させることができる。これはクッション材４１の効果によるものであり、クッション材４１の形状について図３を用いて説明する。

図３（ａ）はクッション材４１の断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）に表された端面Ｔを有するクッション材４１の外観斜視図である。同図に示すように、静電型スピーカ２で用いられるクッション材４１は静電型スピーカ１で用いられるクッション材４０と形状が異なる。具体的には、クッション材４１は、電極２１の撓み具合（曲面の形状）と同じ形状になるように成形される。クッション材４１を用いると、図２に示すように、振動膜領域Ｐｕ、Ｐｄの形状はそれぞれ電極２１Ｕ、２１Ｌの断面の形状と同じになる。換言すれば、電極２１と同じ撓み具合を持つように、振動膜１０を撓ませた状態で保持するのである。

このように、本実施例においては、電極２０、２１の内側に設けられるクッション材４０、４１の形状に合わせて振動膜１０の形状を変えることができる。よって、例えば、電極２０、２１の形状（例えば歪み具合）に合わせて振動膜の形状を異ならせるとにより、振動膜上の実質的に任意の場所において、電極までの距離ｓを一定に保つことができる。あるいは、電極２０、２１の形状に関わらず、所望の指向特性を実現するために振動膜１０の形状を変更することも可能である。

＜その他の実施例＞
上述の通り、振動膜１０の形状を規定するためのクッション材４０の形状は、その目的に応じて自由に設計することができる。例えば、電極の撓み具合が上に凸の場合は、その撓み具合に応じて図４の（ａ）（断面図）および同図（ｂ）（外観斜視図）に示すように成形されたクッション材４２を用いればよい。

ただし、振動膜１０の形状を規定する要素がクッション材４０の形状のみである必要は無い。上述の通り、振動膜１０はクッション材３０とクッション材４０に接しており、振動膜の形状を決める要素には、少なくともクッション材３０と４０とから受ける圧力が含まれる。ここでクッション材３０と４０の弾性特性を異ならせれば、振動膜１０に作用する圧力も異なる。よって、クッション材３０と４０の弾性特性等の違いによって、クッション材３０と４０が振動膜１０に作用する力のどちらが支配的になるかが異なる可能性があり、必ずしもクッション材４０の形状が目的とする振動膜１０の形状と正確に一致するとは限らない。すなわち、振動膜１０の形状は、クッション材３０の形状とクッション材４０の形状の少なくともいずれかに一方によって規定されるものであり、結果的に振動膜１０の形状が所望の状態になっていればよい。

また、クッション材３０および４０は正方形（あるいは実質的な正方形）の２面（上面および下面）と、４つの側面を有するものに限らず、上面および下面は長方形や円形であってもよい。また、必ずしも電極２０の平面の形状と同一である必要はない。

クッション材４０の加工・成形方法は任意である。例えば、クッション材４２のように上に凸な形状を実現したい場合は、図５の（ａ）に示すように、所定の厚さの直方体の材料４３０〜４３９を所定の方法で積層させることによってクッション材４３を形成しても良い。この方法によれば、滑らかな曲面に加工（削り出しや切り出しなど）すること、あるいは加工後にその形状を保持することが難しいような素材であっても、実質的に所望の曲面形状を有するクッション材を生成することができる。

あるいは、図５（ｂ）に示すように、核となる素材４４０に別の素材４４１を所定の方法で一定の厚みで形成してもよい。例えば、中心の素材として所望の形状に加工した発砲ウレタンを用い、その周りに綿を一定の厚みで固着する。一般的に、クッション材４０として綿素材を用いる場合、綿を所望の形状を保ちつつ一定の場所に配置することは困難である。しかし、この方法によれば、熟線加工などによって容易に加工ができるので、電極の歪みやその他の目的に応じて発砲ウレタンを所望の形状に加工した上で、この周りに一定の厚みで綿を固着することで、容易に全体として所望の形状を有するクッション材４４を形成することができる。

振動膜１０の材質、厚み、電極２０の材質、形状、厚み、クッション材３０、４０〜４４の形状、材質、厚みといったパラメータは、振動膜領域Ｐｕから電極２０Ｕまでの距離と、振動膜領域Ｐｄから電極２０Ｌまでの距離とが等しくなるという条件が満たされている限りにおいて、任意である。例えば、振動膜と電極間に設けられるクッション材３０と、振動膜の内側に設けられるクッション材４０〜４４の材質は、異なるものであっても構わない。ただし、従来の一枚の振動膜を用いた静電型スピーカと同等の特性を実現することを重視する場合は、フィルムの質量が空気の負荷質量の比べて十分に小さく、クッション材３０とクッション材４０〜４４の弾性特性は実質的に同一であることが好ましい。

振動膜１０の形状（換言すれば、クッション材４０への被覆の仕方）ついては、必ずしも図１に示したようなＵ字型になっている必要はない。例えば、振動膜がクッション材４０の全体（例えばクッション材が直方体の場合は、電極との対向面２つと４つの側面）を覆うようにしてもよい。また、クッション材４０は、電極２０Ｕ、２０Ｌと対向する電極膜領域Ｐｕ、Ｐｄと側面が定義・観念できるような形状（たとえば直方体）である必要はなく、例えば全て曲面で構成された形状であってもよい。要するに、好ましい態様において、電極（上側）−クッション材−振動膜（上側；好適には、振動膜のうち電極１に実質的に対向するとみなせる部分）−クッション材−振動膜（下側；好適には、振動膜のうち電極２に実質的に対向するとみなせる部分）−クッション材−電極（下側）という順で各要素が配置された構造になっている。

例えば、図６の（ａ）および（ｂ）に示すように、一枚のＵ字型の振動膜１０に代えて、２枚の振動膜１０Ｕおよび１０Ｌを用いて静電型スピーカ３および４を構成してもよい。同図に示される静電型スピーカ３と４とでは、用いているクッション材４５および４６の形状（及び電極２０の歪みの有無）が異なる。この場合においても、振動膜１０Ｕから電極２０Ｕまで距離と、振動膜１０Ｌから電極２０Ｌまでの距離とは同一である。振動膜１０Ｕおよび１０Ｌはそれぞれ独立に支持される。この場合、各振動膜１０Ｕ、１０Ｌはクッション材４０と３０のみによって支持されてもよいし、これに加えて図示せぬ筐体に所定の方法で支持されていてもよい。また、振動膜１０Ｕおよび１０Ｌは等電位に保たれる。この構成によれば、図１および図２に示した一枚のＵ字型の振動膜を用いた場合と実質的に等価な静電型スピーカが実現する。

また、上記実施例においては、振動膜１０Ｕから電極２０Ｕまで距離と、振動膜１０Ｌから電極２０Ｌまでの距離とは同一であるとしたが、クッション材３０Ｕおよび３０Ｌの弾性特性を異ならせ、または振動膜１０およびクッション材４０を支持するための機構を設ける等することにより、振動膜１０およびクッション材４０の位置が一定の範囲で保持される限り、上記の両距離を異ならせてもよい。

静電型スピーカ１の断面図である。 従来の静電型スピーカ９００と本発明に係る静電型スピーカ２を比較した図である。 クッション材４１の外観構造を示した図である。 クッション材４２の外観構造を示した図である。 クッション材４３および４４の外観構造を示した図である。 静電型スピーカ３および４の断面図である。

符号の説明

１〜４、９００・・・静電型スピーカ、１０、９０１・・・振動膜、１０Ｕ・・・第１振動膜、１０Ｌ・・・第２振動膜、２０Ｕ、２０Ｌ、２１Ｕ、２１Ｌ・・・電極、３０Ｕ、３０Ｌ、４０〜４６・・・クッション材、４３０〜４３９、４４０、４４１・・・素材。

Claims (4)

1. 対向して離間配置される第１電極および第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に設けられる第１弾性部材と、
   前記第１弾性部材の形状を構成する少なくとも前記第１電極に対向する第１面と前記第２電極に対向する第２面を覆う、静電力によって変位可能な振動膜と、
   前記第１面と前記第１電極との間および前記第２面と前記第２電極との間にそれぞれ設けられる第２の弾性部材と
   を有する静電型スピーカ。
2. 前記第１面から前記第１電極までの距離と前記第２面から前記第２電極までの距離とは、同一である
   ことを特徴とする請求項１に記載の静電型スピーカ。
3. 前記振動膜はＵ字型の断面形状を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の静電型スピーカ。
4. 前記振動膜は、前記第１面に設けられる第１振動膜と前記第２面に設けられる第２振動膜とから構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の静電型スピーカ。

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