JP2011188037A - Electroacoustic transducer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高周波放電を利用して電気音響変換することにより振動板をなくすことができる電気音響変換器の更なる改良に関するものである。 The present invention relates to a further improvement of an electroacoustic transducer capable of eliminating a diaphragm by performing electroacoustic conversion using high-frequency discharge.
一般的なマイクロホンやスピーカなどの電気音響変換器では、振動板が用いられている。マイクロホンの場合、音波を受けて振動する振動板の振動を、電磁的な変化、静電容量の変化、あるいは光学的な変化などとしてとらえて電気信号に変換する。スピーカの場合、一般的には、音声信号を電磁変換して振動板の振動に変換し、音波として出力するようになっている。これら電気音響変換器における振動板は、空気振動と電気信号相互間での変換のために用いられる。換言すれば、音響系−機械振動系−電気回路系の三つの系を1枚の振動板が繋いだ構成になっている。このように、従来の一般的な電気音響変換器、特にマイクロホンは、いずれの方式にせよ振動板を備えているため、振動板が存在することに起因する周波数応答の限界が存在する。したがって、振動板の質量を極限まで小さくしたとしても、質量が存在する以上慣性力が働き、周波数において集音限界が存在することになる。 A diaphragm is used in a general electroacoustic transducer such as a microphone or a speaker. In the case of a microphone, the vibration of a diaphragm that vibrates in response to a sound wave is detected as an electromagnetic change, a change in capacitance, an optical change, or the like, and converted into an electrical signal. In the case of a speaker, generally, an audio signal is electromagnetically converted into a vibration of a diaphragm and output as a sound wave. The diaphragms in these electroacoustic transducers are used for conversion between air vibration and electrical signals. In other words, one diaphragm is connected to three systems of an acoustic system, a mechanical vibration system, and an electric circuit system. As described above, a conventional general electroacoustic transducer, particularly a microphone, includes a diaphragm regardless of which method is used, and thus there is a limit in frequency response due to the presence of the diaphragm. Therefore, even if the mass of the diaphragm is reduced to the limit, the inertial force works as long as the mass exists, and the sound collection limit exists at the frequency.
振動板を持たない電気音響変換器の例として、放電を利用して粒子速度を検出し、電気音響変換する方法が特許文献1に記載されている。特許文献1記載の発明は、針状放電電極と、この放電電極を、間隔をおいて取り囲む対向電極を備え、対向電極は、球状をなしていて音波を透過するように穿孔された導電材料からなり、放電電極は、上記球状対向電極の内部に向かって伸びて球の中心近傍に到達している。放電電極には、音波に変換されるべき低周波信号によって変調された高周波電圧発生回路から高周波電圧信号が印加され、放電電極と対向電極との間で上記高周波電圧信号に対応したコロナ放電が行われることにより、上記低周波信号すなわち音波が放射されるようになっている。 As an example of an electroacoustic transducer that does not have a diaphragm, Patent Document 1 discloses a method of detecting particle velocity using discharge and performing electroacoustic conversion. The invention described in Patent Document 1 includes a needle-like discharge electrode and a counter electrode that surrounds the discharge electrode with an interval, and the counter electrode is formed of a conductive material that has a spherical shape and is perforated to transmit sound waves. Thus, the discharge electrode extends toward the inside of the spherical counter electrode and reaches the vicinity of the center of the sphere. A high-frequency voltage signal is applied to the discharge electrode from a high-frequency voltage generation circuit modulated by a low-frequency signal to be converted into sound waves, and corona discharge corresponding to the high-frequency voltage signal is performed between the discharge electrode and the counter electrode. As a result, the low-frequency signal, that is, a sound wave is emitted.
特許文献1記載の発明は、電気的な音声信号を、放電を利用して音波に変換するもので、イオンスピーカといわれるものである。特許文献1記載の発明をそのままマイクロホンとして使用することは不可能であり、マイクロホンとして使用することの可能性について示唆されてもいない。 The invention described in Patent Document 1 converts an electrical sound signal into a sound wave using discharge, and is called an ion speaker. It is impossible to use the invention described in Patent Document 1 as a microphone as it is, and there is no suggestion about the possibility of using it as a microphone.
本発明者は、横断面積が長さ方向において不変の音響管と、この音響管内に配置された内部電極と、内部電極の配置位置に対応して音響管の外周に配置された外部電極と、内部電極と外部電極との間に音声信号で変調された高電圧信号を印加し音響管内で音声信号に応じた強さのコロナ放電を行わせる駆動回路と、を備えたヘッドホンに関する発明をし、先に特許出願した(特許文献2参照)。長さ方向における横断面積の変化の少ない音響管と放電型スピーカを組み合わせ、音響管内で反射波が発生しないようにして周波数応答に起伏が生じないようにしたものである。 The inventor has an acoustic tube whose cross-sectional area is unchanged in the length direction, an internal electrode disposed in the acoustic tube, an external electrode disposed on the outer periphery of the acoustic tube corresponding to the position of the internal electrode, A drive circuit that applies a high voltage signal modulated with an audio signal between an internal electrode and an external electrode to cause corona discharge with a strength corresponding to the audio signal in an acoustic tube, and an invention related to headphones, A patent application was first filed (see Patent Document 2). An acoustic tube with little change in the cross-sectional area in the length direction and a discharge type speaker are combined so that no reflected wave is generated in the acoustic tube so that the frequency response does not undulate.
本発明者はまた、針状電極と、この針状電極に対向する対向電極と、この針状電極と対向電極の間に形成される放電部と、この放電部を含みこの放電部で高周波放電を生起させる高周波発振回路と、上記放電部に音波を導入する音波導入部と、上記高周波発振回路で発振され上記放電部に導入される音波に応じて変調された信号を取り出す変調信号取り出し部と、を備えたマイクロホンに関して先に特許出願をした。特願2009−024697号に係る発明がそれで、まだ出願公開されていない。 The inventor also includes a needle-like electrode, a counter electrode facing the needle-like electrode, a discharge portion formed between the needle-like electrode and the counter electrode, and a high-frequency discharge including the discharge portion. A high-frequency oscillation circuit that generates a sound wave, a sound wave introduction unit that introduces a sound wave into the discharge unit, a modulation signal extraction unit that extracts a signal oscillated by the high-frequency oscillation circuit and modulated according to the sound wave introduced into the discharge unit, A patent application was previously filed for a microphone equipped with the above. The invention according to Japanese Patent Application No. 2009-024697 has not yet been published.
図4は、上記特願2009−024697号に係る発明と実質的に同じ高周波放電を利用した電気音響変換器の例であってマイクロホンユニットとして構成された例を示している。図4において、マイクロホンユニット10は、針状電極3と、この針状電極3との間で放電させるための対向電極4を主たる構成部材として有してなる。針状電極3の基部は円筒形状の絶縁筒6で覆われ、絶縁筒6はさらに円筒形状の絶縁筒5に嵌合され、絶縁筒5はベース1を厚さ方向に貫通して嵌合されている。したがって、針状電極3はその基部が絶縁筒5、6の介在のもとにベース1を厚さ方向に貫通してベース1に固定されている。ベース1の外周の一面側からは円筒形のケース2が延び出ていて、このケース2の延出方向に針状電極3の先端が延び出るとともに、針状電極3はケース2のほぼ中心軸線上に、かつ、ケース2で囲まれる空間内に位置している。
FIG. 4 shows an example of an electroacoustic transducer that uses substantially the same high-frequency discharge as that of the invention according to Japanese Patent Application No. 2009-024697, and is configured as a microphone unit. In FIG. 4, the
ケース2のベース1とは反対側の開放端部には、この開放端部を塞ぐようにして上記対向電極4が固定されている。対向電極4は平板状の電極であるが、例えば、小孔が無数に開けられたパンチングメタル、あるいは導電性のワイヤを網状に編み込んだ素材を用いることにより、音波を通すことができる構造になっている。対向電極4は表面が絶縁材で覆われている。対向電極4は針状電極3の先端と適宜の間隔をおいて対向していて、対向電極4と針状電極3との間で放電部を構成している。この放電部は、高周波放電を生起させる高周波発振回路の一部を構成し、この放電部で高周波放電が生起されるようになっている。この放電は火炎放電といわれるもので、図4における符号7は、対向電極4と針状電極3との間の放電部において放電によって生じる火炎を示している。対向電極4は、上記のように音波をケース2内の放電部に導入する音波導入部を構成している。
The
上記針状電極3と対向電極4との間で高周波放電を生起させるためには高電圧を印加する必要があるため、高周波発振回路は、高電圧に耐えることができる真空管を発振用の能動素子として使用している。針状電極3と対向電極4との間で形成される放電路の放電電流が上記真空管に帰還することにより、自励発振による高周波発振回路が構成される。針状電極3と対向電極4は高周波放電部を構成しており、この高周波放電部の粒子速度が音波の粒子速度によって変化し、高周波放電部の等価インピーダンスが変化する。音波によって高周波放電部の等価インピーダンスが変化することにより、上記発振回路による発信信号が音波によって変調される。この変調信号は、周波数変調すなわちFM変調成分と振幅変調すなわちAM変調成分を含むが、FM変調成分の方がより多く含まれる。したがって、上記FM変調された信号を取り出してこれをFM復調回路に入力すれば、上記音波導入部から導入される音波に対応したオーディオ信号に変換することができる。
In order to generate a high frequency discharge between the
以上述べた高周波放電を用いた電気音響変換器の例として、イオンスピーカあるいはイオンツイータがある。これは、高周波放電でプラズマを発生させ、これを音声信号で振幅変調するとプラズマが膨張収縮するので音波を発生する、というのが原理である。上記特願2009−024697号に係る発明はイオンマイクロホンに区分されるものである。 As an example of the electroacoustic transducer using the high frequency discharge described above, there is an ion speaker or an ion tweeter. The principle is that plasma is generated by high-frequency discharge, and when this is amplitude-modulated by an audio signal, the plasma expands and contracts, so that sound waves are generated. The invention according to Japanese Patent Application No. 2009-024697 is classified as an ion microphone.
いずれにせよ、高周波放電を用いた電気音響変換器は、針状電極と平板電極で不平等電界を作り、ここに高周波の高電圧を加えることによってプラズマを形成するようになっている。針状電極側が高電界になっているため、プラズマは針状電極付近に発生し平板電極の方に向かって伸びる。針状電極はプラズマに接していることから高温になり、そのため針状電極の先端部が損耗し、この先端付近に放電生成物が付着して、放電状況、例えばプラズマの長さや形などを劣化させる。放電状況の劣化によって異常放電を起こし、放電部から異常な音波を発する、といった不具合を生じる。 In any case, an electroacoustic transducer using a high-frequency discharge generates an unequal electric field with a needle-like electrode and a flat plate electrode, and forms a plasma by applying a high-frequency high voltage thereto. Since the acicular electrode has a high electric field, plasma is generated near the acicular electrode and extends toward the flat plate electrode. Since the needle-shaped electrode is in contact with the plasma and becomes hot, the tip of the needle-shaped electrode is worn out and discharge products adhere to the vicinity of the tip, thereby deteriorating the discharge situation, for example, the length and shape of the plasma. Let An abnormal discharge occurs due to deterioration of the discharge state, and an abnormal sound wave is emitted from the discharge part.
上記針状電極に放電生成物が付着した様子を図5、図8に示す。図2、図6は放電前の針状電極3の尖端部分を示す。針状電極3の尖端部分は、放電前は図2、図6に示すように鋭くとがっているが、高周波放電を1時間程度継続すると、上記のように先端部が損耗し、先端付近に放電生成物が付着する。図5はこの様子を示しており、符号31は損耗した針状電極3の先端部を、符号32は針状電極3の先端付近に付着した放電生成物を示している。図8は、図5に対応する針状電極の先端部分の写真画像である。針状電極3の先端部分は、放電によって0.4mm程度吹き飛んで損耗を生じている。針状電極3の先端部に放電生成物32が付着することによって放電状況が劣化し、異常放電を起こす。
本発明者は、針状電極の先端付近に放電生成物が付着する原因を追及した結果、放電生成物の原因物質は空気中にあるものと推測することができた。
FIGS. 5 and 8 show a state in which the discharge product adheres to the needle electrode. 2 and 6 show a pointed portion of the needle-
As a result of investigating the cause of the discharge product adhering to the vicinity of the tip of the needle electrode, the present inventor was able to infer that the causative substance of the discharge product is in the air.
本発明は、以上説明した従来の高周波放電を利用した電気音響変換器の問題点を解消すること、すなわち、継続して高周波放電を行っても針状電極の先端部分の損耗および放電生成物の付着がなく、異常放電を起こすこともない、高周波放電を利用した電気音響変換器を提供することを目的とする。 The present invention eliminates the problems of the conventional electroacoustic transducer using the high frequency discharge described above, that is, the wear of the tip portion of the needle electrode and the discharge product even if the high frequency discharge is continuously performed. It is an object of the present invention to provide an electroacoustic transducer using high frequency discharge that does not adhere and does not cause abnormal discharge.
本発明は、針状電極と、上記針状電極に対向する対向電極と、上記針状電極と対向電極の間に形成される放電部と、上記放電部を含みこの放電部で高周波放電を生起させる高周波発振回路と、を備え、上記放電部に導入される音波に応じて変調された音声信号を取り出し、または上記放電部において音声信号で変調された高周波信号に応じた放電を行わせることにより音声に変換する電気音響変換器であって、上記針状電極の外周面に向けて不活性ガスを供給する不活性ガス供給路を備えていることを最も主要な特徴とする。 The present invention includes a needle electrode, a counter electrode facing the needle electrode, a discharge part formed between the needle electrode and the counter electrode, and the discharge part. A high-frequency oscillation circuit that extracts the audio signal modulated according to the sound wave introduced into the discharge unit, or causes the discharge unit to discharge according to the high-frequency signal modulated with the audio signal. It is an electroacoustic transducer for converting to sound, and is characterized by having an inert gas supply path for supplying an inert gas toward the outer peripheral surface of the needle electrode.
不活性ガス供給路は、電気音響変換器に向けた供給路と、電気音響変換器内において上記針状電極の外周面に沿って不活性ガスを流すための不活性ガス案内路で構成するとよい。
不活性ガス案内路は、針状電極の外周を針状電極の外周面との間に空間をおいて囲み、針状電極の先端部周面に沿って不活性ガスを流すガス流出口を備えているとよい。
The inert gas supply path may be configured by a supply path directed to the electroacoustic transducer and an inert gas guide path for flowing an inert gas along the outer peripheral surface of the needle electrode in the electroacoustic transducer. .
The inert gas guide path includes a gas outlet that surrounds the outer periphery of the needle electrode with a space between the outer periphery of the needle electrode and allows the inert gas to flow along the peripheral surface of the tip of the needle electrode. It is good to have.
針状電極と対向電極の間で放電が行われているとき不活性ガス供給路から針状電極の外周面に向けて不活性ガスを供給することにより、針状電極の表面と空気との接触が遮断され、空気中の放電生成物原因物質が針状電極に付着することを防止することができる。もって、放電生成物の付着を原因とする異常放電を防止することができ、動作の安定した高周波放電を利用した電気音響変換器を提供することができる。 Contact between the surface of the needle-shaped electrode and air by supplying an inert gas from the inert gas supply path toward the outer peripheral surface of the needle-shaped electrode when discharge is performed between the needle-shaped electrode and the counter electrode Is blocked, and the discharge product causative substance in the air can be prevented from adhering to the needle electrode. Therefore, an abnormal discharge caused by the adhesion of discharge products can be prevented, and an electroacoustic transducer using high-frequency discharge with stable operation can be provided.
以下、本発明に係る電気音響変換器の実施例について図面を参照しながら説明する。
図1において、マイクロホンユニット20は、針状電極23と、この針状電極23との間で放電させるための対向電極24を有している。針状電極23の基部は円筒形状に形成されていて円筒形状の絶縁筒26で覆われ、絶縁筒26はさらに円筒形状の絶縁筒25に嵌合され、絶縁筒25はベース21を厚さ方向に貫通して嵌合されている。換言すれば、針状電極23はその基部が絶縁筒25、26の介在のもとにベース21を厚さ方向に貫通してベース21に固定されている。ベース21の外周の一面側からは円筒形のケース22が一体に延び出ていて、このケース22の延出方向に針状電極23の先端が延び出るとともに、針状電極23はケース22のほぼ中心軸線上に、かつ、ケース22で囲まれる空間内に位置している。針状電極23の素材として、例えば、先端の曲率が50μmのタングステンを用いることができる。
Embodiments of an electroacoustic transducer according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
In FIG. 1, the
ケース22のベース21とは反対側の開放端部には、この開放端部を塞ぐようにして上記対向電極24が固定されている。対向電極24は平板状の電極であるが、例えば、無数の小孔が開けられたパンチングメタルを用い、あるいは導電性のワイヤを網状に編み込んだ素材を用いることにより、音波を通すことができる構造になっている。対向電極24は表面が絶縁材で覆われている。対向電極24として、例えば、音波を通すために多数の開口を設けたステンレス鋼板を、厚さ0.1mmのセラミック(シリカ)で被覆して用いることができる。対向電極24は針状電極23の先端と適宜の間隔をおいて対向していて、対向電極24と針状電極23との間で放電部を構成している。この放電部は、高周波放電を生起させる高周波発振回路の一部を構成し、この放電部で高周波放電が生起されるようになっている。この放電は火炎放電といわれるもので、図1における符号27は、対向電極24と針状電極23との間の放電部において放電によって生じる火炎を示している。対向電極24は、上記のように音波をケース22内の放電部に導入する音波導入部を構成している。また、ケース22の周壁にも、音波をケース22内の放電部に導入する音波導入部としての孔を形成してもよい。
The counter electrode 24 is fixed to the open end of the
上記針状電極23と対向電極24との間で高周波放電を生起させるためには高電圧を印加する必要があるため、高周波発振回路は、高電圧に耐えることができる真空管を発振用の能動素子として使用している。針状電極23と対向電極24との間で形成される放電路の放電電流が上記真空管に帰還するように回路が構成されることにより、自励発振による高周波発振回路が構成されている。針状電極23と対向電極24は高周波放電部を構成しており、この高周波放電部の粒子速度が音波の粒子速度によって変化し、高周波放電部の等価インピーダンスが変化する。音波によって高周波放電部の等価インピーダンスが変化することにより、上記発振回路による発信信号が音波によって変調される。この変調信号は、周波数変調すなわちFM変調成分と振幅変調すなわちAM変調成分を含むが、FM変調成分の方がより多く含まれる。したがって、上記FM変調された信号を取り出してこれをFM復調回路に入力すれば、上記音波導入部から導入される音波に対応したオーディオ信号に変換することができる。
In order to generate a high frequency discharge between the
ここまで説明してきた構成は、図4で説明した先の出願に係る発明の構成と実質的に変わりがないが、本発明に係る電気音響変換器の実施例は、以下に述べる不活性ガス供給路が付加されていることが特徴になっている。図1において、針状電極23は、その外周が先端近くまで不活性ガス案内路251によって囲まれている。不活性ガス案内路251は、電気音響変換器内において上記針状電極の外周面に沿って不活性ガスを流すために設けられているもので、針状電極23の外周を保持する前記絶縁筒25と一体に、したがって絶縁材で円筒形状に形成されている。不活性ガス案内路251は、針状電極23の外周を針状電極23の外周面との間に空間をおいて囲み、針状電極23の先端部周面に沿って不活性ガスを流すガス流出口252を備えている。針状電極23の先端部分はガス流出口252よりも外方に突出していて、対向電極24との間での放電に支障を来さない形になっている。
The configuration described so far is substantially the same as the configuration of the invention according to the previous application described with reference to FIG. 4, but the embodiment of the electroacoustic transducer according to the present invention provides an inert gas supply described below. It is characterized by the addition of roads. In FIG. 1, the outer periphery of the
不活性ガス案内路251にはパイプ42が連通している。パイプ42は前記円筒形状のケース22を半径方向に貫いて固定され、さらに、先端部が不活性ガス案内路251に嵌合されることにより、パイプ42の内部空間が不活性ガス案内路251の内部空間に連通した状態で不活性ガス案内路251に連結されている。ケース22の外周から突出したパイプ42の他端部は、カップリング41を介して別のパイプ40に連結されている。パイプ40、カップリング41およびパイプ42は、図示されないガスボンベなどからマイクロホンユニット20すなわち電気音響変換器に向けた不活性ガスの供給路を構成していて、上記不活性ガス案内路251とともに不活性ガス供給路を構成している。使用する不活性ガスの例として、ヘリウムガスあるいは窒素ガスがある。
A
上記不活性ガス供給路から不活性ガスを供給しながら針状電極23と対向電極24との間で高周波放電させ、電気音響変換動作を行わせる。パイプ40、カップリング41およびパイプ42からなる供給路を通じて不活性ガス案内路251に導かれた不活性ガスは、不活性ガス案内路251の内部空間に案内されてガス流出口252の方に向かって流れる。不活性ガスはガス流出口252において絞られることにより針状電極23の先端部外周に沿って流れ、針状電極23の先端部外周面と空気との接触が遮断される。したがって、空気中の放電生成物原因物質が針状電極23に付着することを防止することができ、放電生成物の付着を原因とする異常放電を防止して、動作の安定した高周波放電を利用した電気音響変換器を得ることができる。また、従来、空気の流れによって生じていた針状電極の先端部の損耗も防止することができる。
While supplying an inert gas from the inert gas supply path, high-frequency discharge is performed between the
図2、図6に示すように鋭くとがっている針状電極23を使用し、不活性ガスとして窒素ガスを針状電極23の先端部に沿って供給しながら、針状電極23と対向電極24との間で1時間放電させた。図3、図7は、放電後の針状電極23の先端部分を示す。図3に示す線図のみでは質感や色を表現することはできないので、図3では形状のみを示し、図7にそれに対応する写真画像を示している。放電によって針状電極23は高温になるので、針状電極23は焼けたような色になるが、形状は放電前と変わりがなく、先端が損耗するとか、先端付近に放電生成物が付着する、といった不具合は生じなかった。よって、図示の実施例によれば、上記放電生成物を原因とする異常放電を防止することができ、動作の安定した高周波放電を利用した電気音響変換器を得ることができる。
As shown in FIGS. 2 and 6, the
図示の実施例では、高周波放電を利用したマイクロホンとして説明したが、高周波発振回路で発振される高周波信号を音声信号で変調し、この変調信号で針状電極23と対向電極24との間で放電させることにより、前記イオンスピーカの原理により、スピーカとして動作させることができる。よって、本発明に係る電気音響変換器は、マイクロホンとしてもスピーカとしても利用することができる。
In the illustrated embodiment, the microphone has been described as using a high-frequency discharge. However, a high-frequency signal oscillated by a high-frequency oscillation circuit is modulated with an audio signal, and a discharge is generated between the
20 マイクロホンユニット
21 ベース
23 針状電極
24 対向電極
25 絶縁筒
42 不活性ガス供給路としてのパイプ
251 不活性ガス案内路
252 ガス流出口
20
Claims (7)
上記針状電極の外周面に向けて不活性ガスを供給する不活性ガス供給路を備えている電気音響変換器。 A high-frequency oscillation circuit including a needle-like electrode, a counter electrode facing the needle-like electrode, a discharge part formed between the needle-like electrode and the counter electrode, and a high-frequency discharge including the discharge part And taking out an audio signal modulated according to the sound wave introduced into the discharge unit, or converting the sound signal into sound by causing the discharge unit to discharge according to the high-frequency signal modulated with the audio signal. An electroacoustic transducer,
An electroacoustic transducer comprising an inert gas supply path for supplying an inert gas toward the outer peripheral surface of the needle electrode.
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