JP4697047B2 - 静電型スピーカ - Google Patents

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に固定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）。振動板に所定のバイアス電圧を印加しておき、両電極に印加する電圧を変化させると、振動板に作用する静電力は変化し、これにより振動板は変位する。振動板は、通常、その淵や辺などを筐体に固定されているため、中央部分ほど変位が大きくなり、振動板全体としては撓んだ状態になる。電極に印加する電圧を入力楽音信号に応じて変化させれば、それに応じて振動板は変位を繰り返し（すなわち振動し）、入力楽音信号に応じた音響波が振動板から発生する。発生した楽音は、例えば電極である金属板電極に空けられた穴などを通り抜けてスピーカ外部へ放音される（非特許文献１を参照）。
阪本楢次著、「スピーカとスピーカシステム」、日刊工業

このように、振動板には入力信号によって生じる静電力と変位による弾性応力（復元力）とが働くことになるが、この２つの力の特性から、振動板に許容される振幅に一定の制限が課せられるという問題がある。以下、この問題について詳説する。
図６は、一般的なプッシュプル型の静電型スピーカ１００の断面を模式的に表した図である。なお、説明の便宜上、主要な構成要素である平面対向電極１０１および１０２と振動板１０３のみを示している。また、同図においては電極１０２および１０３の対向面および振動板１０３の面に垂直な方向にｘ軸を定義している。振動板１０３は、信号が入力されていないときは、両電極のちょうど中間の位置であるｘ＝０に位置するものとする。すなわち、このとき両電極までの距離はそれぞれｄであり、振動板１０３には＋ｘ方向の静電力と−ｘ方向の静電力が釣り合っており、弾性応力も作用していない変位ゼロの状態である。

今、楽音信号が入力され、振動板１０３に楽音信号に応じた静電力が作用すると、振動板１０３はどちらかの電極の側へ引き寄せられる。これにより振動板１０３（正確には振動板の中央部）は位置ｘまで変位したとすると、この位置において振動板に作用する静電力Ｆｍは、Bを正の定数として、次式のように表される。

これを冪級数展開すると、次式のように表される。

上述したように、変位に伴って振動板１０３には弾性応力が作用する。位置ｘ（すなわち変位量がｘ）において振動板１０３に作用する弾性応力Ｆｓは、一般的に、振動板の材質や構造に固有の弾性係数をＡ（正の定数）として、次式のように表すことができる。

よって、振動板１０３に作用する力Ｆ_totalは、以下のようになる。

振動板１０３に作用する静電力Ｆｍおよび弾性応力Ｆｓと変位の関係を表したものが図７である。なお、同図においては、静電力Ｆｍの大きさと弾性応力Ｆｓの大きさとを比較する為、弾性応力Ｆｓについては正負を反転してある。同図から判るように、変位量がｘｃよりも大きくなる（すなわち振動板１０３の振幅が２ｘｃ以上になる）と、常にＦｍ＞Ｆｓの関係が成り立つから、理論上、振動板１０３は最終的にはどちらかの電極に接触してしまうことがわかる。あるいは、接触する前に変位が振動板１０３の弾性限界を超えることにより、振動板１０３の破損といった事態も起こりうる。

このような事態を防止するためには、振動板１０３の振幅を一定の範囲内に抑制する必要がある。これについて図８を用いて説明する。図８は、変位量に応じた振動板１０３に作用する全ての力Ｆtotal（すなわち静電力Ｆｍと弾性応力Ｆｓの合計）を表したものである。図８から判るように、Ｆtotalはｘ＝±ｘ２において極大となるが、±ｘｃの外側の領域においては曲線の傾きが正となっている。これは変位の方向と同じ方向の力が作用していることを示していることに他ならず、振動板１０３がこの領域に入ると、上述した接触や破損の問題が生じる。よって、振動板１０３の振幅を、少なくとも２×ｘ１、すなわち振動板１０３の変位が−ｘ１からｘ１の範囲に収まるように制限してなくてはならない。具体的には、入力信号のパワーに上限値を設定することが考えられる。

しかし、たとえ接触や破損の危険性が解消されたとしても、音響特性上には課題が残る。これは振動板１０３に作用するＦ_totalの時間変化を考えると容易に理解することができる。音響特性上、図１０に示すように、振動板１０に作用する力の合計が線形の復元力となっているのが理想的であると考えられる。図１０は、振幅が２Ｆmaxで理想的な振動を行っている振動板に作用する力の合計の時間変化を示しているものである。従って、図９に示すような力が振動板１０３に作用していると、振動板１０の振動は理想的な状態からは離れたものとなり、音響特性が低下する。
そこで音響特性を考慮し、通常は、図８に示す変位が−ｘ２からｘ２の範囲に収まるように入力信号のパワーを制限することが行われている。音響特性の更なる向上を目指す場合は、振動板の振動を更に理想的なものに近づけるため、ほぼ変位と力の関係が実質的に線形とみなせるような領域（図８において−ｘ３からｘ３で示される範囲）にまで振幅を制限する必要も考えられる。

なお、両電極間の距離を大きくとれば、上述した接触の問題に関して振動板１０の振幅の許容範囲は広くなることは明らかだが、この場合、振動板に作用する静電力が低下するため出力音圧も低下してしまうという問題や、所定の出力音圧を確保するために電極に印加する電圧を大きくしなくてはならないという問題がある。このように、従来の静電型スピーカにおいては、振動板の振幅（変位許容範囲）の拡張と振動板に作用させる力の線形性とを両立させることが困難であり、そのことが静電型スピーカの性能の向上を阻む一因となっていた。
そこで、本発明は、静電型スピーカの振動板に作用する力の線形性を保ちつつ、許容される振幅に係る制限を緩和することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る静電型スピーカは、一対の対向電極と、前記対向電極間に設けられ静電力によって変位可能な振動板とを備え、所定方向に関し歪み量の３乗に比例する復元力を生じさせる線弾性特性を有する弾性部材を、前記所定方向が前記振動板の変位方向となるように、前記振動板と前記対向電極との間にそれぞれ介挿したことを特徴とする。本発明によれば、上記介挿した弾性体から前記振動板に対し３次歪みをキャンセルするような復元力を作用させるから、振動板の振幅（変位許容範囲）が大きくなっても振動板に作用させる力の線形性を保つことができる。

好ましい態様において、前記線弾性特性には、歪み量の１乗に比例する寄与が更に含まれる。

他の好ましい態様において、無変位状態における前記振動板から前記対向電極までの距離をそれぞれｄ、前記振動板の変位をｘ、Bを正の定数とし、前記振動板に作用する静電力Ｆｍが数式（Ａ）によって表される場合に、前記弾性部材は数式（Ｂ）によって表現される復元力Ｆｓを生じさせる。
（数Ａ）
Ｆｍ＝Ｂ（１／（ｄ−ｘ）＾２）−Ｂ（１／（ｄ＋ｘ）＾２） （Ａ）
（数Ｂ）
Ｆｓ＝Ｂ（ｘ＾３）／（ｄ＾５） （Ｂ）

更に他の好ましい態様において、前記弾性部材は、前記弾性特性を実現するために所定の与圧がかけられた状態で固定される。

以下、本発明の好適な態様について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の１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、振動板１０と、これに対向する２つの平面電極（以下、単に電極という）２１および２２と、振動板１０と電極２１および２２の間の空間に設けられた弾性部材３０とから構成される。

振動板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しあるいは導電塗料を塗布した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）部材である。振動板１０は、両側から弾性部材３０からの所圧力（弾性力）によって支持される。あるいは、振動板１０は、塩化ビニル、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、所定の張力が振動板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）に固定されてもよい。

電極２１および２２は、金属板に孔（図示略）を開けたパンチングメタル、スパッタ加工済み不織布、導電性塗料が塗布された不織布などの導電性を備えて且つ音波透過性の高い材料から構成され、静電型スピーカ１の筐体（図示せず）に固定される。このとき、振動板１０から両電極２１および２２までの距離ｄが等しくなるように配置される。換言すれば、対向する電極のちょうど中間の位置が振動板１０ (正確には、信号が入力されていないときの状態である無変位状態における振動板１０) の固定位置となる。

また、静電型スピーカ１は、図示せぬ電源を備え、互いに反対の極性の電圧をそれぞれの電極２１（２２）に印加するとともに、振動板１０にバイアス電圧を印加することができるようになっている。また、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、振動板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。振動板１０の振動によって発生した音波は、電極２１または２２を通り抜けてスピーカ外部に放音される。

弾性部材３０は、所定の弾性特性を有する、不織布、綿、スポンジなど、外部からの力に対して変形することができる非導電性材料から構成される。弾性部材３０は、例えばその表面に接着層を塗布し、この接着層を介して電極２１および２２にそれぞれ固定される。弾性部材３０は、単一の材料から構成されるものに限らず、複数のばねを被覆材で包んだような複合構造であってもよい。振動板１０が変位（振動）すると、弾性部材３０はその弾性率に応じて変形するとともに、当該変位に対して逆方向の力（復元力）を振動板１０に作用させるようになっている。なお、以下でいう弾性特性とは、外部から与えられた所定方向の力（本発明の場合は振動板１０によって及ぼされる電極２１および２２に垂直な方向の力）に対してどのように歪み、その結果として外部に復元力を生じさせるのかを規定する広義の弾性特性であって、歪み−応力曲線や厚さ方向に関する線弾性係数（ヤング率）や非線形弾性係数（セカント係数）等を用いて定義することができるものである。本発明に係る静電型スピーカ１が従来技術の静電型スピーカと異なるのは、介挿された弾性部材３０から振動板１０が復元力を受ける点である。本発明においては、この弾性部材３０の弾性特性に特徴があるため、この点につき以下詳説する。

以下の本発明の説明において、従来技術における静電型スピーカについて図６ないし図１０を用いた説明で使用したものと同じパラメータを使用する。
本発明においては、従来技術と同様、ｘだけ変位した振動板１０に作用する静電力Ｆｍは式（１）で表される。なお、正確に言えば、振動板１０は撓みがあるから、振動板の中心の変位をｘと定義するのが好ましい。ここで、振動板１０の変位ｘが電極２１（２２）と振動板１０との距離ｄよりも十分小さい場合は、式（２）の近似が成り立つ。一方、振動板１０の変位ｘと、振動板１０固有の弾性特性や筐体との固定方法に起因した、振動板１０に生じる復元力Ｆｓは、上述したように、式（３）で表される。本発明においては、振動板１０がｘだけ変位すると、それに伴って、振動板１０が変位した側の弾性部材３０も両電極に垂直な方向にｘだけ歪み、この歪みを元に戻そうとする力が振動板１０に作用する。この振動板１０から受ける力Ｆｓｅは、歪みｘの関数として次式によって表される。

ＦｓとＦｓｅとを加えた応力の合計Ｆｓ´と、静電力Ｆｍとを比較して表したのが図２である。

静電型スピーカ１の振動板１０に作用する力の合計Ｆ´totalは、次式で表される。

図３は、Ｆ´totalと変位ｘとの関係を示したグラフである。この図から容易に判るように、振動板１０に作用する復元力の大きさは変位量に比例する。図４は、振動板１０が振動している場合において、振動板１０に作用する力Ｆ´totalの時間変化を表したグラフである。
このように本発明においては、振動板１０に作用する復元力が線形とみなせるため、振動板１０の位置が原点から十分離れた位置にある場合、換言すれば振動板１０の振幅が十分大きい場合であっても、Ｆ´totalの線形性が実質的に失われることなく、これにより振動板１０に理想的な振動をさせることが可能となる。換言すれば、従来の静電型スピーカに比べて、振動板１０に作用する力の線形性が保たれている変位の範囲が拡張される。これにより、音圧と音質の向上を同時に図られる。

次に、上述した弾性特性を有する弾性部材３０の構成方法について説明する。本発明においては、勿論、式（５）で表される弾性特性を有する単一の材料で弾性部材３０を構成してもよいが、たとえこのような特性を有する単一の材料がなくとも、種々の方法で上述した弾性特性を有する弾性部材３０を構成することができる。本発明においては、弾性部材３０の製造・加工方法については限定されない。例えば、弾性部材３０を複合材料で構成してもよい。具体的には、弾性特性が既知である弾性部材を複数接合させて全体として上述した弾性特性が発揮されるように設計することができる。特に、単一材料で構成する場合において、上述した弾性特性を有する素材が無い場合は、弾性部材３０を介挿する際に、所定の与圧をかけた状態で固定することにより、上述の弾性特性を実現させてもよい。以下、この手法について説明する。

図５は、与圧がかけられていない状態における弾性部材３０の弾性特性を歪み（ε）−応力（σ）曲線で表現した一例である。同図によれば、通常の状態では、弾性部材３０は、歪みが小さい領域（０＜ｘ＜ｘ１）ではおおよそ線形の弾性特性を有しているが、歪みが大きくなると非線形性が現れてくることが判る。このように、通常の状態、すなわち予め圧力をかけるなどすることなく弾性部材３０を電極２１（２２）と振動板１０との間に固定すると、式（５）のような特性を発揮することができない場合がある。

そこで本発明においては、図５に示すような弾性特性を有する弾性部材を、所望の条件に適合する領域で使用する。具体的には、上述した弾性特性に対応する与圧Ｐｅｘをかけた状態で弾性部材３０を固定する。与圧Ｐexの値は、例えば、ｑを定数としてσ（ε）〜ｑε＾３と近似した場合に、所定の近似度を満たす領域の原点を算出することにより決定することができる。これは、座標系（ε−σ）の原点をＯからＯ´に移し、新たな座標系（ε´−σ´）に対応する領域の弾性特性を実現させることに相当する。具体的には、厚さｄ＋ｘ２の弾性部材を用意し、これを電極２１（２２）と振動板１０との間の空間（距離ｄ）に介挿すればよい。

本発明においては、式（５）に表されるように、少なくとも静電力Ｆｍの３次の項をキャンセルするような弾性特性を有する弾性部材３０を用いることを特徴とするが、この弾性特性は、式（５）に表されたものに限らない。例えば、Ｃを定数として、次式で表されるように１次の項を更に有していても構わない。

この場合であっても、力Ｆ´totalの線形性に影響を及ぼさないことは明らかである。あるいは、弾性部材３０は、式（２）における高次の項（５次以上の項）を打ち消すような項を更に有していてもよい。

また、本発明においては、式（５）を数学的に厳密に満たす必要は必ずしもない。要は、式（１）で表される静電力Ｆｍの非線形項を実質的またはほぼ打ち消し、これにより振動板に作用する復元力の非線形性が実質的に無視できるような弾性特性を有していれば、上述した本願発明の効果を奏することができる。また、上記実施例においては、Ｆｓｅとして振動板１０が変位した側の弾性部材からの力のみを考えたが、この変位に伴い反対側の弾性部材３０が振動板１０に作用する力（復元力とは逆方向の力）を考慮すれば、より高精度で静電力Ｆｍを打ち消すことが可能である。また、弾性部材３０の線弾性特性が式（５）を厳密に満たしていなくとも、少なくとも歪み量の３乗に比例ないし略比例してさえいれば、印加電圧の値に関係するBやスピーカの厚みに関係する距離ｄの値を調節することにより、比例係数８B／ｄ＾５の値を当該弾性特性の比例係数に一致ないしは近似させることもできる。

本発明に係る静電型スピーカ１の外観構造を表す図である。 静電型スピーカ１における振動板１０に作用する力を表すグラフである。 静電型スピーカ１における振動板１０に作用する力を表すグラフである。 静電型スピーカ１における振動板１０に作用する力を表すグラフである。 弾性部材３０の歪み−応力特性を表すグラフである。 従来の静電型スピーカ１００の外観構造を表す図である。 静電型スピーカ１００における振動板１０３に作用する力を表すグラフである。 静電型スピーカ１００における振動板１０３に作用する力を表すグラフである。 静電型スピーカ１００における振動板１０３に作用する力を表すグラフである。 静電型スピーカ１００における振動板１０３に作用する力を表すグラフである。

符号の説明

１、１００・・・静電型スピーカ、１０、１０３・・・振動板、２１、２２、１０１、１０２・・・電極、３０・・・弾性部材。

Claims (4)

1. 一対の対向電極と、前記対向電極間に設けられ静電力によって変位可能な振動板とを備え、
   所定方向に関し歪み量の３乗に比例する復元力を生じさせる線弾性特性を有する弾性部材を、前記所定方向が前記振動板の変位方向となるように、前記振動板と前記対向電極との間にそれぞれ介挿した
   ことを特徴とする静電型スピーカ。
2. 前記線弾性特性には、歪み量の１乗に比例する寄与が更に含まれる
   ことを特徴とする請求項１に記載の静電型スピーカ。
3. 無変位状態における前記振動板から前記対向電極までの距離をそれぞれｄ、前記振動板の変位をｘ、Bを正の定数とし、前記振動板に作用する静電力Ｆｍが数式（１）によって表される場合に、前記弾性部材は数式（２）によって表現される復元力Ｆｓを生じさせる
   ことを特徴とする請求項１に記載の静電型スピーカ。
   （数１）
   Ｆｍ＝Ｂ（１／（ｄ−ｘ）＾２）−Ｂ（１／（ｄ＋ｘ）＾２） （１）
   （数２）
   Ｆｓ＝−Ｂ（ｘ＾３）／（ｄ＾５） （２）
4. 前記弾性部材は、前記弾性特性を実現するために所定の与圧がかけられた状態で固定される
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の静電型スピーカ。

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