JP3845487B2

JP3845487B2 - 静電型スピーカ

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Publication number: JP3845487B2
Application number: JP03524797A
Authority: JP
Inventors: 正小田切
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-02-19
Filing date: 1997-02-19
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2017-02-19
Also published as: JPH10234098A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電型電気音響変換器に関し、特に、振動板として薄いセラミック平面板、好ましくはジルコニア平面板を使用することにより、広い帯域と良好な音質が得られる静電型スピーカに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、スピーカは、電気信号を空気の振動である音波に変換する働きをする電気音響変換器であり、コーン型ダイナミックスピーカや静電型スピーカ等がある。
【０００３】
例えば図６に示すように、コーン型ダイナミックスピーカ１０は、機械板として機械的強度等の材料特性、音圧特性の面から円錐型のコーン紙１２を用いている。永久磁石１４により、センターポール１６とヨーク１８との間に生じている磁界の中に、コーン紙１２の内方端部に取り付けられたボイスコイル２０があり、このボイスコイル２０に流れる電流に応じてフレミングの左手の法則に従ってコーン紙１２が振動するようになっている。
【０００４】
前記のようなコーン型ダイナミックスピーカ１０は、振動板としての音圧特性、材料特性の面からコーン紙１２を用いるようにしているが、図６に示すように、コーン紙１２の内側中心部分において音響的な歪みλが生じる。この歪みλは、コーン紙１２の一方の片面から発生する音波ｗ１と相対する他の片面から発生する音波ｗ２のベクトルがパラレルでないために干渉を起こして生じるものと考えられる。
【０００５】
この音響的な歪みλは、スピーカ１０から発する音の鮮明さを喪失させたり、音像の定位感をぼやかすという現象を引き起こす。
【０００６】
そこで、従来から、前記コーン型ダイナミックスピーカ１０の諸問題を解消することができる平面型の振動板を用いた静電型スピーカが実用化されている。
【０００７】
図７及び図８に示すように、この静電型スピーカ３０は、例えば平面円形状の振動板３２と、同じく平面円形状の電極を兼ねた固定板３４とがリング状のスペーサ部材３６を間に挟んで重ね合わされて、振動板３２の一方の板面に形成された電極３８と固定板３４とが互いに対向するように配置されることで一つのコンデンサが構成されるようになっている。
【０００８】
そして、前記電極３８及び固定板３４間に電圧をかけることによって、振動板３２と固定板３４との間に静電力が働き、この静電力で振動板３２が振動するようになっており、入力信号電圧に比例した音響出力を出すために、信号電圧ｅにバイアス電圧Ｅを重畳させて前記電極３８及び固定板３４間に加えるようにしている。
【０００９】
この静電型スピーカ３０においては、駆動力が振動板３２の全面にかかるため、図９に示すように、分割振動を起こしにくく、前記コーン型ダイナミックスピーカ１０において発生していた音響上の歪みも生じない。しかも、振動板３２が同相で振動するため、良好な音響特性を得ることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記のような静電型スピーカ３０については、多くの公知例があるが、これら公知例においては、例えば特開昭５２−１８５７７号公報に示されるように、振動板３２として薄いプラスチックやポリエステルなどのような高分子膜が使用されている。
【００１１】
そのため、従来の静電型スピーカ３０を湿度の高い環境下で使用した場合、振動板３２において吸湿現象が生じ、音割れなどの原因になるおそれがある。また、高分子膜による振動板３２は、機械的強度が低く、弾性率も低いことから、音声信号の振幅を大きくして駆動すると、振動板３２の振動速度が音声信号に追従できなくなり、音の鮮明さの喪失や音像の定位感がぼけるなどの現象が生じるおそれがある。そのため、音声信号の振幅（音量）をあまり大きくすることができない、という欠点がある。
【００１２】
一方、例えば特開昭６１−７７９７号公報において、セラミック平面板を振動板として利用することが提案されている。これは、コーン型ダイナミックスピーカ１０で生じる音波の干渉を防ぎ、併せて共振を除去することを目的としている。
【００１３】
しかし、前記提案例は、あくまでもマグネット式のスピーカを想定しており、静電型スピーカを想定したものではないため、厚さ等の各種パラメータの取り扱いが異なっている。
【００１４】
更に、例えば特公昭５６−５３９２０号公報には、厚さ４０〜６０μｍ前後の振動板を使用する例が開示されている。この例は、機械的強度のみに着目したものであり、音声信号に対する高追従性や軽量性などを考慮した場合、いまだ不十分な値であると考えられる。
【００１５】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、高湿度の環境下でも音質を損ねることがなく、しかも、振動板の駆動振幅を大きくすることが可能で、音量の向上を図ることができる静電型スピーカを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る静電型スピーカは、厚さ１μｍ以上、３０μｍ以下のセラミック平面板を振動板とし、前記セラミック平面板がジルコニアであることを特徴とする。
【００１７】
これにより、セラミック平面板は吸湿性がないため、静電型電気音響変換器を高湿度の環境下で使用しても、音質を損ねることがない。また、セラミック平面板は、高弾性率材料であるため、振動板の駆動振幅を大きくすることができ、これによって音量を大きくすることが可能となる。しかも、平面状の振動板であるため、円錐形のコーン紙を使用したコーン型ダイナミックスピーカのような音の干渉は起こらず、音質をより一層向上させることができる。
【００１８】
ここで、厚さが３０μｍを超えるセラミック平面板を振動板として使用すると、静電気による力では十分に振動せず、大きな音を得ることができない。厚さが１μｍ未満のセラミック平面板を振動板として使用すると、機械的強度が極めて低く、事実上、振動板として利用することができない。
【００１９】
そして、前記振動板を構成するセラミック平面板として、ジルコニアを用いることが好ましい。
【００２０】
また、本発明に係る静電型スピーカは、厚さ１μｍ以上、３０μｍ以下のセラミック平面板にて構成された振動板と、セラミックスからなる電極板と、スペーサ部材とにより構成され、前記振動板と前記電極板の表面にはそれぞれ電極が配置され、前記スペーサ部材が前記振動板と前記電極板とにより挟持され、前記振動板、前記電極板及び前記スペーサ部材により囲まれた空間を有することを特徴とする。この場合、前記振動板と前記電極板及び前記スペーサ部材をそれぞれジルコニアにて構成してもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る静電型スピーカの実施の形態例（以下、単に実施の形態に係る静電型スピーカと記す）を図１〜図５を参照しながら説明する。
【００２２】
まず、図１に示すように、第１の実施の形態に係る静電型スピーカ５０Ａは、例えば平面多角形状（円形も含む）を有し、かつ表面に電極膜５２が形成された振動板５４と、同じく平面多角形状（円形も含む）の電極板５６とが例えばリング状のスペーサ部材５８を間に挟んで重ね合わされて構成されている。
【００２３】
また、この第１の実施の形態に係る静電型スピーカ５０Ａにおいては、振動板５４の表面に形成された電極膜５２と前記電極板５６との間に振動板５４側を正極とする一つのバイアス電源６０（バイアス電圧Ｅ）と音声信号ｅの発生源（音声信号源）６２が接続されている。
【００２４】
前記スペーサ部材５８と電極板５６との固着並びに振動板５４とスペーサ部材５８との固着は例えば接着剤を用いて行われる。また、スペーサ部材５８は、プラスチック、熱硬化性フェノール樹脂、アクリル樹脂等の絶縁物を使用している。なお、図示していないが、電極膜５２から外部へ配線接続するために、前記スペーサ部材５８を必要に応じて金属製のリングを用い、電極板５６とは適宜絶縁する。
【００２５】
そして、この第１の実施の形態に係る静電型スピーカ５０Ａにおいては、前記振動板５４として、厚さ１μｍ以上、３０μｍ以下のセラミック平面板にて構成するようにしている。
【００２６】
セラミック平面板は吸湿性がないため、静電型スピーカ５０Ａを高湿度の環境下で使用しても、音質を損ねることがない。また、セラミック平面板は、高弾性率材料であるため、振動板５４の駆動振幅を大きくすることができ、これによって音量を大きくすることが可能となる。しかも、平面状の振動板５４であるため、円錐形のコーン紙を使用したコーン型ダイナミックスピーカのような音の干渉は起こらず、音質をより一層向上させることができる。
【００２７】
なお、図１において、電極板５６をセラミック製とし、その上に固定極としての電極を形成してもよい。この場合、セラミック一体の静電型スピーカ５０Ａとなり、耐蝕性の良好なものとなる。
【００２８】
ところで、振動板５４を構成するセラミック平面板の厚さとして、３０μｍを超えると、静電気による力では振動板５４が十分に振動せず、大きな音を得ることができない。従って、セラミック平面板の厚さとしては、２０μｍ以下であることが好ましい。この場合、振動板５４の駆動振幅を更に大きくすることができ、音質及び音量の点で有利となる。
【００２９】
ここで、一つの実験例を示す。この実験例は、セラミック平面板で構成された振動板５４の厚さを適宜変えて、振動板５４が一定の歪み（たわみ等）を得るのに必要な力がどのように変化するかをみたものである。その実験結果を図２に示す。この図２において、縦軸の力は、静電型スピーカ５０Ａのサイズ、バイアス電圧Ｅの大きさ、振動板５４と電極板５６との間隔などの種々の条件によって異なるため、絶対値では示していない。
【００３０】
図２の実験結果から、振動板５４の厚さが３０μｍを超えると必要な力が急激に高くなることがわかる。厚さが２０μｍ以下のときは比較的少ない力で振動する。このことから、上述したように、厚さが３０μｍを超えるセラミック平面板を振動板５４として使用すると、静電気による力では十分に振動せず、大きな音を得ることができない。従って、振動板５４の厚さとしては２０μｍ以下が好ましい。なお、厚さが１μｍ未満のセラミック平面板を振動板５４として使用すると、機械的強度が極めて低く、事実上、振動板５４として利用することができない。
【００３１】
振動板５４を構成するセラミック平面板としては、ジルコニアを用いることが好ましい。ジルコニアは、弾性率が２００ＧＰａと高く、また、密度が５．９ｇ／ｃｍ³であるため、比弾性率（弾性率／密度）は３．４×１０¹²ｃｍ²／ｓｅｃ²であり、従来のプラスチック振動板の材料である例えばポリエステルの弾性率２ＧＰａ、密度１．３８ｇ／ｃｍ³、比弾性率０．１４×１０¹²ｃｍ²／ｓｅｃ²と比べ、音質向上として有利である。
【００３２】
特に、イットリアを２〜４ｍｏｌ％添加した、主として正方晶、又は主として正方晶及び立方晶よりなるジルコニアは、曲げ強度が約４００〜１０００ＭＰａと高く、焼結体を構成する結晶粒子径も０．１〜０．５μｍ程度と小さいため、薄い平面板として加工するのに極めて好都合である。
【００３３】
なお、前記ジルコニア以外では、例えば窒化珪素、炭化珪素、アルミナなどのセラミックスが、弾性率が高く、かつ薄い平面板として加工しやすいため、静電型スピーカ５０Ａの振動板５４の材料として好適に使用することができる。
【００３４】
図３に前記各種セラミックスの比弾性率と、比較例としてポリエステル（従来の振動板の材料）の比弾性率を示す。これら各種セラミックスは、いずれのセラミックスでも、従来から振動板材料として使用されてきた高分子フイルム、例えばポリエステルよりも比弾性率が１〜２桁高い。また、弾性率も２桁高く、音声信号源６２の印加電圧ｅを上げて振動板５４の駆動振幅が大きくなっても十分に追従することができる。
【００３５】
そして、前記セラミック平面板は、例えばドクターブレード、リバースロールコータなどの公知の成形方法で成形したグリーンシートを焼成することで得られる。また、有機フイルム上に印刷法で形成する方法、有機フイルム上にアルコキシド溶液などから析出、沈殿させる方法、有機フイルム上に導電層を形成した上で電気泳動法により成膜する方法なども適用可能である。
【００３６】
一方、前記振動板５４の表面に形成される電極膜５２は、導電性の膜であれば何でも使用可能であるが、例えば、金、銀、アルミニウム、銅などの金属膜、あるいはＩＴＯなどの酸化物を始めとする各種透明電極膜などを例えばスパッタリングなどで形成する方法でも得ることができる。
【００３７】
次に、第２の実施の形態に係る静電型スピーカ５０Ｂについて図４を参照しながら説明する。
【００３８】
この第２の実施の形態に係る静電型スピーカ５０Ｂは、図４に示すように、例えば平面多角形状（円形も含む）で、かつ多数の貫通孔７０が形成された一方の電極板７２と、同じく平面多角形状（円形も含む）で、かつ多数の貫通孔７４が形成された他方の電極板７６とが例えばリング状のスペーサ部材７８を間に挟んで重ね合わされ、スペーサ部材７８の高さ方向中間部に一対の電極板７２及び７６間の空間を仕切るように、これら電極板７２及び７６の板面に対して平行に振動板８０が架張されて構成され、該振動板８０の表面には電極膜８２が形成されている。
【００３９】
また、この第２の実施の形態に係る静電型スピーカ５０Ｂにおいては、一対の電極板７２及び７６間に、一方の電極板７２側を正極とする二つのバイアス電源８４及び８６（共にバイアス電圧Ｅ）が接続され、これらバイアス電源８４及び８６の接点ａと振動板８０の表面に形成された電極膜８２との間に音声信号源８８が接続されて構成されている。前記スペーサ部材７８と一対の電極板７２及び７６との固着並びに振動板８０とスペーサ部材７８との固着は例えば接着剤を用いて行われる。
【００４０】
そして、この第２の実施の形態に係る静電型スピーカ５０Ｂにおいても、厚さ１μｍ以上、３０μｍ以下のセラミック平面板にて振動板８０を構成し、前記セラミック平面板として、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素、アルミナのいずれかを使用するようにしている。
【００４１】
そのため、前記第１の実施の形態に係る静電型スピーカ５０Ａと同様に、静電型スピーカ５０Ｂを高湿度の環境下で使用しても、音質を損ねることがなく、また、振動板８０の駆動振幅を大きくすることができ、これによって音量を大きくすることが可能となる。しかも、平面状の振動板８０であるため、音質をより一層向上させることができる。
【００４２】
次に、第３の実施の形態に係る静電型スピーカ５０Ｃについて図５を参照しながら説明する。なお、図４と対応するものについては同符号を付してその重複説明を省略する。
【００４３】
この第３の実施の形態に係る静電型スピーカ５０Ｃは、図５に示すように、前記第２の実施の形態に係る静電型スピーカ５０Ｂとほぼ同じ構成を有するが、一対の電極板７２及び７６におけるそれぞれの対向面に、多数の貫通孔９０を有するエレクトレットフイルム（帯電性を有するプラスチックフイルム）９２が貼着され、更に、二つのバイアス電源８４及び８６（図４参照）が省略された構成を有する。
【００４４】
エレクトレットフイルム９２は、例えば図５のように予め帯電していることから、無信号時において、一方の電極板７２は正に帯電し、他方の電極板７６は負に帯電し、これによって、一対の電極板７２及び７６間に一方の電極板７２側を正とするバイアス電圧Ｅがかかった状態と等価となる。このため、第１の実施の形態では必要であった二つのバイアス電源８４及び８６を省略することが可能となり、静電型スピーカ５０Ｃの小型軽量化を促進させることができる。
【００４５】
そして、この第３の実施の形態に係る静電型スピーカ５０Ｃにおいても、前記第２の実施の形態に係る静電型スピーカ５０Ｂと同様に、厚さ１μｍ以上、３０μｍ以下のセラミック平面板にて振動板８０を構成し、該セラミック平面板として、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素、アルミナのいずれかを使用するようにしている。
【００４６】
そのため、前記第２の実施の形態に係る静電型スピーカ５０Ｂと同様に、音質を損ねることがなく、また、振動板８０の駆動振幅を大きくすることができ、これによって音量を大きくすることが可能となる。しかも、平面状の振動板８０であるため、音質をより一層向上させることができる。
【００４７】
このように、静電型として必要な電界は、前記第３の実施の形態に係る静電型スピーカ５０Ｃのように、一対の電極板７２及び７６上にエレクトレットフイルム９２を形成して永久静電界を利用する方法や、第１及び第２の実施の形態に係る静電型スピーカ５０Ａ及び５０Ｂのように、直流のバイアス電圧Ｅを印加する方法のいずれでも可能である。
【００４８】
また、第１の実施の形態に係る静電型スピーカ５０Ａのように、電極板５６が一方だけのシングル型や、第２及び第３の実施の形態に係る静電型スピーカ５０Ｂ及び５０Ｃのように、電極板７２及び７６が振動板８０の両側にあるプッシュプル型のいずれでも可能である。
【００４９】
また、電極板と振動板との間隔は０．２ｍｍから５ｍｍ程度の範囲で任意に設定可能であり、バイアス電圧Ｅは５０Ｖから数１０００Ｖ程度まで任意に設定可能である。交流信号（音声信号ｅ）の電圧も０〜１０００Ｖｒｍｓ程度まで任意に設定することができる。
【００５０】
前記各実施の形態においては、本発明に係る静電型電気音響変換器を静電型スピーカに適用した例を示したが、その他、マイクロホンやヘッドホンにも適用することができる。
【００５１】
【実施例】
実施例１
イットリアを３ｍｏｌ％含むジルコニアをドクターブレードで成形し、キャリアフイルムから剥離した後、空気中１４００℃で焼成し、結晶相が主として正方晶よりなる厚さ５μｍのジルコニアを作製した。
【００５２】
前記ジルコニアの表面にアルミニウムを蒸着法で形成し、有効直径約５０ｍｍの振動板５４を得た。
【００５３】
そして、図１に示す第１の実施の形態に係る静電型スピーカ５０Ａにおいて、前記振動板５４を用い、電極板５６を銅とし、スペーサ部材５８を有機高分子樹脂（熱硬化性フェノール樹脂等）とし、振動板５４と電極板５６との間隔を２ｍｍとしてシングル型の静電型スピーカ５０Ａを組み立てた。
【００５４】
この組み立てた静電型スピーカ５０Ａにおいて、バイアス電源６０のバイアス電圧Ｅを直流５００Ｖとし、音声信号源６２の信号ｅを交流３００Ｖｒｍｓの電圧信号としたところ、２０Ｈｚから２０ｋＨｚまで明瞭な音が発生した。
実施例２
前記実施例１と同様な組成で、厚さ１０μｍのジルコニアを作製し、その両面にＩＴＯをスパッタリングで形成し、有効直径１００ｍｍの振動板８０を作製した。
【００５５】
そして、図４に示す第２の実施の形態に係る静電型スピーカ５０Ｂにおいて、前記振動板８０を用い、一対の電極板７２及び７６としてそれぞれ直径２ｍｍの貫通孔７０及び７４が多数設けられた銅板を用い、更に、一対の電極板７２及び７６を振動板８０の両側にそれぞれ３ｍｍの間隔を空けて設置することによってプッシュプル方式の静電型スピーカ５０Ｂを作製した。
【００５６】
作製した前記静電型スピーカ５０Ｂにおいて、二つのバイアス電源８４及び８６における各バイアス電圧Ｅを直流５００Ｖとし、音声信号源８８の信号ｅを交流２５０Ｖｒｍｓの電圧信号としたところ、２０Ｈｚから２０ｋＨｚまで十分な音圧の音が発生した。
実施例３
高純度アルミナに高純度マグネシアを１ｗｔ％添加した組成物をドクターブレード法で成形し、１６００℃で焼成して厚さ１５μｍのアルミナを作製した。その後、前記アルミナの両面にＩＴＯをスパッタリングで形成し、有効直径１００ｍｍの振動板８０を作製した。
【００５７】
そして、図５に示す第３の実施の形態に係る静電型スピーカ５０Ｃにおいて、前記振動板８０を用い、一対の電極板７２及び７６としてそれぞれ直径２ｍｍの貫通孔７０及び７４が多数設けられた銅板を用い、一対の電極板７２及び７６を振動板８０の両側にそれぞれ３ｍｍの間隔を空けて設置することによってプッシュプル方式の静電型スピーカ５０Ｃを作製した。この場合、エレクトレットフイルム９２として、厚さが２５μｍ、フイルム両面間での電位差が５００Ｖのエレクトレットフイルムを使用した。
【００５８】
作製した前記静電型スピーカ５０Ｃにおいて、音声信号源８８の信号ｅを交流２００Ｖｒｍｓの電圧信号としたところ、２０Ｈｚから２０ｋＨｚまで十分な音圧の音が発生した。
【００５９】
なお、この発明に係る静電型スピーカは、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る静電型スピーカによれば、振動板として厚さ１μｍ以上、３０μｍ以下のセラミック平面板を用いるようにしている。
【００６１】
このため、高湿度の環境下でも音質を損ねることがなく、しかも、振動板の駆動振幅を大きくすることが可能で、音量の向上を図ることができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る静電型スピーカを示す構成図である。
【図２】セラミック平面板で構成された振動板の厚さを適宜変えて、振動板が一定の歪み（たわみ等）を得るのに必要な力がどのように変化するかをみた実験結果を示す特性図である。
【図３】振動板として使用される各種セラミックスの比弾性率（弾性率／密度）とポリエステル（従来の振動板の材料）の比弾性率との違いを示す表図である。
【図４】第２の実施の形態に係る静電型スピーカを示す構成図である。
【図５】第３の実施の形態に係る静電型スピーカを示す構成図である。
【図６】一般的なコーン型ダイナミックスピーカの構成と音響上の歪みを示す説明図である。
【図７】一般的な静電型スピーカの正面を示す図である。
【図８】静電型スピーカを示す構成図である。
【図９】静電型スピーカの作用を示す説明図である。
【符号の説明】
５０Ａ〜５０Ｃ…静電型スピーカ５２…電極膜
５４、８０…振動板５６、７２、７６…電極板
５８、７８…スペーサ部材６０、８４、８６…バイアス電源
６２、８８…音声信号源９２…エレクトレットフイルム

Claims

厚さ１μｍ以上、３０μｍ以下のセラミック平面板を振動板とし、
前記セラミック平面板がジルコニアであることを特徴とする静電型スピーカ。
厚さ１μｍ以上、３０μｍ以下のセラミック平面板にて構成された振動板と、セラミックスからなる電極板と、スペーサ部材とにより構成され、
前記振動板と前記電極板の表面にはそれぞれ電極が配置され、
前記スペーサ部材が前記振動板と前記電極板とにより挟持され、
前記振動板、前記電極板及び前記スペーサ部材により囲まれた空間を有し、
前記振動板と前記電極板及び前記スペーサ部材がそれぞれジルコニアからなることを特徴とする静電型スピーカ。