JP2013157897A - 静電型スピーカ装置および静電型マイクロフォン装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バイアス電圧を印加することなくエレクトレット材を用いずに、発生音声が入力信号に対して線形の関係を有するようにできる静電型スピーカ装置を提供する。
【解決手段】正値および負値を含む入力信号ａ１を正値化し、正値化された信号ａ３を平方根処理し、平方根処理された信号ａ４を波形化する。そして、一対の電極１１，１２に対してバイアス電圧を印加することなく、波形化された信号ａ５に応じた電圧ａ７を一対の電極１１，１２に印加して、静電型スピーカ１０を振動させることにより音声を発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電型スピーカ装置および静電型マイクロフォン装置に関するものである。

静電型スピーカの駆動装置は、例えば、特開２０１０−４１１８４号公報（特許文献１）には、高いバイアス電圧を印加することが記載されている。また、特開２００８−３１２１０９号公報（特許文献２）には、バイアス電圧をかけずに、エレクトレット材を電極に用いることが記載されている。これらは、スピーカにより発生される音声が、入力信号に対して線形の関係を有するようにするためである。なお、変調器として、特開２００４−２６６６４７号公報（特許文献３）および特開２００５−２８６５８２号公報（特許文献４）に記載されたものがある。

特開２０１０−４１１８４号公報 特開２００８−３１２１０９号公報 特開２００４−２６６６４７号公報 特開２００５−２８６５８２号公報

しかし、バイアス電圧をかけたり、エレクトレット材を用いたりすることは、高コスト化を招来する。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、バイアス電圧を印加することなくエレクトレット材を用いずに、発生音声が入力信号に対して線形の関係を有するようにできる静電型スピーカ装置を提供することを目的とする。また、上記静電型スピーカと同様の問題を解決する静電型マイクロフォン装置を提供することを目的とする。

（静電型スピーカ装置）
本発明者は、鋭意研究を重ね、バイアス電圧を印加しない場合およびエレクトレット材を用いない場合には、静電型スピーカが発生する音声は駆動信号の二乗に比例することを利用して、入力信号を平方根処理した信号を静電型スピーカの駆動信号とすることを思いつき、本発明を発明するに至った。

すなわち、本発明の静電型スピーカ装置は、一対の電極を有する静電型スピーカと、正値および負値を含む入力信号を正値化する正値化処理部と、正値化された信号を平方根処理する平方根処理部と、平方根処理された信号を波形化する波形化処理部と、前記一対の電極に対してバイアス電圧を印加することなく、波形化された信号に応じた電圧を前記一対の電極に印加して、前記静電型スピーカを振動させることにより音声を発生させる駆動回路とを備える。

本発明によれば、入力信号を平方根処理された信号に応じた電圧が一対の電極に印加されるため、静電型スピーカが発生する音声は、駆動電圧の二乗、すなわち入力信号に対して線形の関係を有することになる。ただし、平方根処理をするためには、正値でなければ虚数値が発生し、処理することが困難である。そこで、平方根処理する前に、正値化処理を行っている。さらに、平方根処理後の信号は正値であるため、波形化処理を行うことによって静電型スピーカを振動させることができる信号とすることができる。このように、本発明によれば、バイアス電圧を印加することなくかつエレクトレット材を用いずに、静電型スピーカによる発生音声が入力信号に対して線形の関係を有するようにできる。従って、低コスト化を図ることができる。特に、バイアス電圧は高圧であるため大型であったが、本発明によれば、小型化を図ることができる。

また、前記波形化処理部は、前記平方根処理された信号に矩形波を乗算することで波形化するようにしてもよい。波形化処理する際に、矩形波を用いることにより、より高精度に、発生音声が入力信号に対して線形の関係を有するようにできる。つまり、音源の再現性の高いスピーカとすることができる。

また、前記正値化処理部は、前記入力信号に対して前記入力信号の負値最小値の絶対値以上の値をオフセット処理するようにしてもよい。これにより、確実にかつ容易に、入力信号を正値化することができる。また、入力信号はバイアス電圧に比べると非常に小さな電圧値であるため、非常に小さな電圧の加算により入力信号の正値化が可能となる。

また、前記正値化処理部は、アナログ信号である前記入力信号をデジタル信号に変換した信号に対して正値化し、前記駆動回路は、デジタル信号である前記波形化された信号をアナログ信号に変換した信号に応じた電圧を前記一対の電極に印加するようにしてもよい。つまり、正値化処理部、平方根処理部、波形化処理部は、デジタル処理を行うことができる。従って、コンピュータによる演算処理によって上記処理が可能となるため、非常に容易かつ低コストで実現できる。さらに、演算処理は、既に搭載されている演算処理装置を用いることができるため、新たな装置の搭載がなくなり、確実に小型化を図ることができる。

（静電型マイクロフォン装置）
本発明の静電型マイクロフォン装置は、上述した静電型スピーカ装置における入力信号から音声までの処理の流れを逆方向にする処理を行う。
すなわち、本発明の静電型マイクロフォン装置は、入力音声によって静電容量が変化する一対の電極を有する静電型マイクロフォンと、前記一対の電極に対してバイアス電圧を印加することなく所定の交流電圧を印加することにより、前記一対の電極間の静電容量に応じた入力信号を取得する入力信号取得回路と、前記入力信号を絶対値化処理する絶対値化処理部と、絶対値化処理された信号を逆数の平方根処理する逆数平方根処理部と、逆数平方根処理された信号をオフセット処理して、音声信号を生成する音声信号生成処理部とを備える。

これにより、バイアス電圧を印加することなくかつエレクトレット材を用いずに、生成される音声信号が入力音声に対して線形の関係を有するようにできる。従って、低コスト化を図ることができる。特に、バイアス電圧は高圧であるため大型であったが、本発明によれば、小型化を図ることができる。

本実施形態における静電型スピーカ装置を示す図である。 入力信号ａ１の挙動を示す図である。 信号ａ４の挙動を示す図である。 発生音声ｆ１の挙動を示す図である。 本実施形態における静電型マイクロフォン装置を示す図である。

（静電型スピーカ装置）
本実施形態の静電型スピーカ装置について、図１〜図４を参照して説明する。静電型スピーカ装置は、静電型スピーカ１０、演算処理部２０および駆動回路３０を備える。静電型スピーカ１０は、面法線方向に距離を隔てて対向して設けられた一対の電極１１，１２と、一対の電極１１，１２間に設けられた弾性変形可能な誘電層１３を備える。この静電型スピーカ１０は、一対の電極１１，１２に波形電圧が印加されることにより振動し、音声を発生する。なお、静電型スピーカ１０は、シングル型の静電型スピーカを適用するが、プッシュプル型の静電型スピーカを適用することもできる。

一対の電極１１，１２は、エラストマーまたは樹脂に導電性フィラーを配合させることにより成形している。一対の電極１１，１２は、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有するようにしている。一対の電極１１，１２を構成するエラストマーには、例えば、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴムなどが適用できる。また、一対の電極１１，１２を構成する樹脂には、例えば、ポリエステル樹脂、変性ポリエステル樹脂、ポリエーテルウレタン樹脂、ポリカーボネートウレタン樹脂、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ニトロセルロース、変性セルロース類などが適用できる。また、一対の電極１１，１２に配合される導電性フィラーは、導電性を有する粒子であればよく、例えば、炭素材料や金属等の微粒子を適用できる。

誘電層１３は、エラストマーまたは樹脂により成形され、一対の電極１１，１２と同様に、可撓性を有し且つ伸縮自在な性質を有する。この誘電層１３を構成するエラストマーには、例えば、シリコーンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴムなどが適用できる。また、誘電層１３を構成する樹脂には、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリスチレン樹脂（架橋発泡ポリスチレン樹脂を含む）、ポリ塩化ビニル−ポリ塩化ビニリデン共重合体、エチレン−酢酸共重合体などが適用できる。

ここで、静電型スピーカ１０の一対の電極１１，１２に印加する駆動電圧ａ７と静電型スピーカ１０による発生音声（音圧）ｆ１との関係について説明する。ここで、駆動電圧ａ７は、駆動回路３０によって生成される交流電圧そのものであり、バイアス電圧が印加されていない。さらに、静電型スピーカ１０は、エレクトレット材を用いていない。このような場合には、当該関係は式（１）に示す関係となる。

つまり、音圧ｆ１は、駆動電圧ａ７の二乗に比例する関係を有する。なお、従来では、バイアス電圧を印加することによって、駆動電圧の二乗成分を無視することができるようにして、駆動電圧に線形の関係を有するようにしていた。しかし、本実施形態においては、バイアス電圧を印加しないため、駆動電圧ａ７の二乗成分が音圧を決定することになる。しかし、スピーカには音源の再現性が要求されるため、音源における音声信号（入力アナログ信号ａ１）と音圧ｆ１とが線形の関係を有するようにする必要がある。そこで、演算処理部２０にて、以下のように処理を行うこととしている。

演算処理部２０は、音源における音声信号である入力アナログ信号ａ１を、駆動回路３０に出力する出力アナログ信号ａ６に変換する。ここで、入力アナログ信号ａ１は、図２に示すように、音源における音声信号であるため、正値と負値とを含んでいる。出力アナログ信号ａ６は、駆動回路３０へ出力する信号である。後に詳細に説明するが、駆動回路３０は、出力アナログ信号ａ６を増幅することで、一対の電極１１，１２に印加する駆動電圧ａ７を生成する。つまり、演算処理部２０は、駆動電圧ａ７を一対の電極１１，１２に印加したときに、入力アナログ信号ａ１と音圧ｆ１とが線形の関係を有することができる出力アナログ信号ａ６を生成する。以下に、演算処理部２０について詳細に説明する。

演算処理部２０は、Ａ／Ｄ変換器２１と、正値化処理部２２と、平方根処理部２３と、波形化処理部２４と、Ｄ／Ａ変換器２５とを備える。Ａ／Ｄ変換器２１は、アナログ信号である入力アナログ信号ａ１を、デジタル信号である入力デジタル信号ａ２に変換する。また、Ｄ／Ａ変換器２５は、デジタル信号である出力デジタル信号ａ５をアナログ信号である出力アナログ信号ａ６に変換する。つまり、演算処理部２０は、演算処理装置および記憶装置などにより構成されたコンピュータであって、デジタル処理を行う。

正値化処理部２２は、正値および負値を含む入力デジタル信号ａ２を正値化する。正値化処理部２２は、入力デジタル信号ａ２の負値最小値の絶対値以上の電圧Ｖａを加算することで、オフセット処理を行う。このとき、正値化処理された信号ａ３と入力デジタル信号ａ２との関係は、式（２）により表される。

例えば、入力デジタル信号ａ２の負値最小値が−０．５Ｖの場合には、加算電圧Ｖａは＋０．５Ｖとする。例えば、入力デジタル信号ａ２が−０．５Ｖから＋０．５Ｖの範囲で変動している場合には、負値最小値とは、−０．５Ｖとなる。なお、この加算電圧Ｖａは、従来における静電型スピーカに印加するバイアス電圧に比べると非常に小さな電圧である。

平方根処理部２３は、正値化された信号ａ３を平方根処理する。平方根処理された信号ａ４と正値化された信号ａ３との関係は、式（３）により表される。ここで、平方根処理をするためには、処理前の値が正値でなければ虚数値が発生し、処理することが困難である。そこで、平方根処理部２３により平方根処理する前に、正値化処理部２２にて正値化処理を行っている。

波形化処理部２４は、平方根処理された信号ａ４を波形化して、交流信号である出力デジタル信号ａ５を生成する。ここで、波形化処理部２４により生成される出力デジタル信号ａ５と平方根処理された信号ａ４との関係は、式（４）に示すように行う。すなわち、平方根処理された信号ａ４に対して、波形化関数ｘ（ｔ）を乗算することにより、出力デジタル信号ａ５を生成する。波形化関数ｘ（ｔ）は、周期性の矩形波であって、最大値ｎと最小値−ｎの絶対値が一致するような関数を用いている。ここで、ｎは、任意の正値である。ただし、ｎを１とすると、最も演算処理が容易となる。また、周期性の矩形波のデューティー比は５０％としている。さらに、波形化関数ｘ（ｔ）の周波数は、入力アナログ信号ａ１の周波数より大きな周波数としている。

そして、上述したように、Ｄ／Ａ変換器２５にて、出力デジタル信号ａ５が出力アナログ信号ａ６に変換される。この出力アナログ信号ａ６は、図３に示すような波形となる。

駆動回路３０は、演算処理部２０により生成された出力アナログ信号ａ６を増幅（昇圧）して、駆動電圧ａ７を生成する。ここで、駆動回路３０は、トランスを用いる。つまり、交流信号である出力アナログ信号ａ６を一次コイルに印加することで、二次コイルには出力アナログ信号ａ６を増幅させた駆動電圧ａ７を生成できる。そして、二次コイルの両端それぞれを、一対の電極１１，１２のそれぞれに電気的に接続する。従って、駆動回路３０は、駆動電圧ａ７を一対の電極１１，１２に印加することによって、静電型スピーカ１０を振動させて音声を発生させることができる。なお、駆動回路３０は、バイアス電圧を有していない。

そうすると、静電型スピーカ１０が発生する音圧ｆ１は、式（５）の第一段目に示すように、出力アナログ信号ａ６の二乗に線形の関係を有する。また、出力アナログ信号ａ６と入力アナログ信号ａ１との関係を考慮すると、式（５）の最下段に示すように、音圧ｆ１は、入力アナログ信号ａ１に対して線形の関係を有することが分かる。なお、式（５）において、Ｋ、αは、係数である。

ここで、計測した音圧ｆ１は、図４に示す波形となる。図４に示す音圧ｆ１の波形と、図２に示す入力アナログ信号ａ１の波形とを比較すると、縦軸のスケールは異なるが、波形の変化形状が一致していることが分かる。

このように、上述した静電型スピーカ装置によれば、バイアス電圧を印加することなくかつエレクトレット材を用いずに、静電型スピーカ１０による発生音声（音圧）ｆ１が入力アナログ信号ａ１に対して線形の関係を有するようにできる。従って、低コスト化を図ることができる。特に、バイアス電圧は高圧であるため大型であったが、本実施形態によれば小型化を図ることができる。

さらに、波形化処理部２４は、平方根処理された信号ａ４に矩形波を乗算することで波形化している。これにより、より高精度に、音圧ｆ１が入力アナログ信号ａ１に対して線形の関係を有するようにできる。つまり、音源の再現性の高いスピーカとすることができる。なお、波形化処理部２４は、矩形波を用いるのではなく、正弦波を用いることともできる。高周波の正弦波であれば、矩形波と同程度の効果を奏する。また、波形化関数ｘ（ｔ）の周波数を入力アナログ信号ａ１の周波数より大きな周波数とすることで、確実に音圧ｆ１を再現できる。

演算処理部２０は、デジタル処理を行うようにしているため、非常に容易にかつ低コストで実現できる。さらに、当該演算処理は、既に静電型スピーカ装置に搭載されている演算処理装置を用いることができるため、新たな装置の搭載がなくなり、確実に小型化を図ることができる。

（静電型マイクロフォン装置）
本実施形態の静電型マイクロフォン装置について、図５を参照して説明する。静電型マイクロフォン装置は、上述した静電型スピーカ装置の基本的な考え方を適用した。すなわち、静電型マイクロフォン装置は、上述した静電型スピーカ装置における入力アナログ信号から音声までの処理の流れを逆方向にする処理を行う。

静電型マイクロフォン装置は、静電型マイクロフォン１１０、入力信号取得回路１２０および演算処理部１３０を備える。静電型マイクロフォン１１０は、実質的に、上述した静電型スピーカ１０と同一構成からなる。ただし、静電型マイクロフォン１１０は、入力音声によって振動することで、一対の電極１１１，１１２間の静電容量が変化する。なお、一対の電極間１１１，１１２の間には、誘電層１１３が介在する。

入力信号取得回路１２０は、一対の電極１１１，１１２に対してバイアス電圧を印加することなく所定の交流電圧を印加することにより、一対の電極１１１，１１２間の静電容量に対応する交流電圧である入力アナログ信号ｂ１を取得する。この入力信号取得回路１２０には、公知のＣＶ変換回路を適用できる。ここで、入力アナログ信号ｂ１は、入力音声の音圧ｆ２の平方根に比例する。

演算処理部１３０は、入力信号取得回路１２０から入力アナログ信号ｂ１を入力し、音声アナログ信号ｂ６を生成する。この演算処理部１３０は、Ａ／Ｄ変換器１３１、絶対値化処理部１３２、逆数平方根処理部１３３、音声信号生成処理部１３４、および、Ｄ／Ａ変換器１３５を備える。

Ａ／Ｄ変換器１３１は、入力アナログ信号ｂ１をデジタル変換して入力デジタル信号ｂ２を生成する。絶対値化処理部１３２は、入力デジタル信号ｂ２を絶対値化処理した信号ｂ３を生成する。当該信号ｂ３と入力デジタル信号ｂ２との関係は、式（６）により表される。

逆数平方根処理部１３３は、絶対値化処理された信号ｂ３に対して逆数の平方根処理を行う。逆数の平方根処理された信号ｂ４と絶対値化処理された信号ｂ３との関係は、式（７）により表される。

音声信号生成処理部１３４は、逆数平方根処理された信号ｂ４をオフセット処理して、交流である音声デジタル信号ｂ５を生成する。ここでは、信号ｂ４に負値であるＶｂを加算して、音声デジタル信号ｂ５を算出する。そして、Ｄ／Ａ変換器１３５は、音声デジタル信号ｂ５を、アナログ信号である音声アナログ信号ｂ６に変換する。このようにして、音声アナログ信号ｂ６を得ることができる。この音声アナログ信号ｂ６は、発生音声の音圧ｆ２に対して線形の関係を有する。

１０：静電型スピーカ、 １１，１２：電極、 ２１：Ａ／Ｄ変換器、 ２２：正値化処理部、 ２３：平方根処理部、 ２４：波形化処理部、 ２５：Ｄ／Ａ変換器、 ３０：駆動回路、 １１０：静電型マイクロフォン、 １１１，１１２：電極、 １２０：入力信号取得回路、 １３２：絶対値化処理部、 １３３：逆数平方根処理部、 １３４：音声信号生成処理部

Claims (5)

1. 一対の電極を有する静電型スピーカと、
   正値および負値を含む入力信号を正値化する正値化処理部と、
   正値化された信号を平方根処理する平方根処理部と、
   平方根処理された信号を波形化する波形化処理部と、
   前記一対の電極に対してバイアス電圧を印加することなく、波形化された信号に応じた電圧を前記一対の電極に印加して、前記静電型スピーカを振動させることにより音声を発生させる駆動回路と、
   を備える静電型スピーカ装置。
2. 前記波形化処理部は、前記平方根処理された信号に矩形波を乗算することで波形化する、請求項１の静電型スピーカ装置。
3. 前記正値化処理部は、前記入力信号に対して前記入力信号の負値最小値の絶対値以上の値をオフセット処理する、請求項１または２の静電型スピーカ装置。
4. 前記正値化処理部は、アナログ信号である前記入力信号をデジタル信号に変換した信号に対して正値化し、
   前記駆動回路は、デジタル信号である前記波形化された信号をアナログ信号に変換した信号に応じた電圧を前記一対の電極に印加する、請求項１〜３の何れか一項の静電型スピーカ装置。
5. 入力音声によって静電容量が変化する一対の電極を有する静電型マイクロフォンと、
   前記一対の電極に対してバイアス電圧を印加することなく所定の交流電圧を印加することにより、前記一対の電極間の静電容量に応じた入力信号を取得する入力信号取得回路と、
   前記入力信号を絶対値化処理する絶対値化処理部と、
   絶対値化処理された信号を逆数の平方根処理する逆数平方根処理部と、
   逆数平方根処理された信号をオフセット処理して、音声信号を生成する音声信号生成処理部と、
   を備える静電型マイクロフォン装置。

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