JP4860520B2 - ヘッドホン - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドホンに関するもので、特に、放電によって発音することを原理とし、かつ音響管を用いたヘッドホンに関するものである。

音響管を用いた電気音響変換器の例として、特許文献１に記載されているヘッドホン装置が知られている。このヘッドホン装置は、音響管にヘッドホンユニットを取り付けるに当たり、ヘッドホンユニットの放音面を音響管内方に臨ませて取り付けることにより、無反射ヘッドホンを形成するものである。特許文献１記載のヘッドホン装置はノイズキャンセル動作を行うことができるように、集音面を音響管内方に臨ませて取り付けられたマイクロホンを備えているが、ノイズキャンセル機能は本願発明と直接的な関係はないから、その説明は省略する。

特許文献１に記載されているような音響管を用いると、音響管は自由空間と同じであることから、特性インピーダンスに起伏を生じにくい。その理由は、音響管が分布定数回路として動作し、進行波のみとなり、反射波が生じないからである。しかし、音響管の長さ方向において横断面積が変わると、特性インピーダンスの連続性が損なわれ、反射波が発生して周波数応答に起伏を生じる。

特許文献１に記載されている発明では、無反射ヘッドホンを得るために、耳穴の径とほぼ同じ径で、かつ、長さ方向において横断面積が同じで変化のない音響管を用いている。かかる構成のヘッドホン装置においては、音響管内に向かって音波を放出するスピーカユニットと音響管との音響的接続が問題となる。ヘッドホンに一般的に使用されているダイナミック型スピーカユニットを用いる場合、スピーカユニットの直径が耳穴の径程度の小径のものであれば特性インピーダンスを劣化させることがない。しかし、振動板の有効振動面積が小さくなるため、ヘッドホンとして必要とされる十分な音圧を得ることができなくなる。特許文献１記載のヘッドホン装置では、音響管の両端が開放しているので、耳側とは反対側にも音波が伝播していき、耳に到達する音圧が低下することも十分な音圧を得ることができない一因となっている。

上記問題点の改善策として、大きな口径のスピーカユニットを用いると、ヘッドホン装置として必要とされるのに十分な音圧を得ることができる。しかし、音響管の径よりもスピーカユニットの径が大きくなると、音響管とスピーカユニットとの接続部における音響管の横断面積が他の部分の横断面積に対して大きく異なり、音響管の特性インピーダンスの連続性が損なわれて反射波が発生し、音質を劣化させる要因となる。

本発明者は、音響管を用いるヘッドホンの上記のような問題点を解決するために、放電によって発音することを原理とする放電型スピーカを採用し、音響管に放電型電気音響変換器を取り付ける発想に至った。そこでまず、放電型電気音響変換器としての放電型スピーカの概要を説明する。

図２は非特許文献１によって知られている放電型スピーカの例を示す。図２において、中心電極５０は一端部が尖端状になっていて、この尖端状の端部を囲んで円筒状の石英セル５２が嵌められている。石英セル５２の外周には、中心電極５０の上記尖端状一端部に対応する位置に円筒状の外側電極５４が嵌められている。石英セル５２の介在のもとにその内側に位置する中心電極５０と、石英セル５２の外側に位置する外側電極５４によって、石英セル５２の前端部（図２において左端部）内方に放電チャンバー５５が形成されている。放電チャンバー５５を囲む石英セル５２の中心孔の縦断面は、緩やかな弧を描きながら前方に向かって広がっている。外側電極５４の外周はセラミック絶縁物５６で覆われている。セラミック絶縁物５６は上記放電チャンバー５５を画する石英セル５２の中心孔に連続して緩やかな弧を描きながら前方に向かって広がる中心孔を有している。セラミック絶縁物５６の前端には、セラミック絶縁物５６の中心孔に連続して弧を描きながら前方に向かって広がるホーン５８が固定されている。

上記中心電極５０、石英セル５２、外側電極５４、セラミック絶縁物５６からなる構成部分はシールドケース６０で覆われていて、放電チャンバー５５において放電するときに発生する電磁ノイズの外部への放出防止が図られている。中心電極５０と外側電極５４からはワイヤが引き出され、それぞれ外部の回路に接続するための端子６２，６４に電気的に接続されている。中心電極５０につながる端子６２と外部電極５４につながる端子６４は図示されない駆動回路に接続される。駆動回路は、約２７〜２８ＭＨｚで発振しかつ発振周波数がロックされる発振回路と、この発振信号が音声信号によって変調される変調回路、および電源電圧を高圧の直流電圧に昇圧する電源回路を有してなる。上記端子６２，６４を通じて中心電極５０と外側電極５４間に上記音声信号によって変調された一定周波数の高電圧が印加される。中心電極５０と環状の外側電極５４との間でコロナ放電が発生し、コロナ放電の強さが音声信号に従って変化し、これに応じて放電チャンバー５５内の空気の温度が変化して膨張、収縮し、音を放射する。

放電型の電気音響変換器の別の例として特許文献２に記載されているような構成ものもある。これは、並列に配置された２個の第１電極と、この第１電極間にこれと平行に配置されかつ高電圧源に接続されたワイヤと、第１電極に直交する方向に配置された互いに平行な２個の第２電極とを有してなる。ワイヤと第２電極との間で生成されるイオン流に対して、第１電極間で生成した変調電界を作用させ、上記イオン流を、グリッド体としての第１電極により変調速度で引き、空気内に音圧を生じさせるものである。

特開平８−７９８７８号公報 特開平２−１７４３９８号公報 誠文堂新光社発行「無線と実験」２００１年１２月号「スピーカー技術の１００年」

特許文献１に記載されているような音響管を用いた従来のヘッドホンは、スピーカユニットの構成上の問題から、前述のようなスピーカユニットと音響管との音響的接続が問題となる。すなわち、音響管の長さ方向において横断面積が変わることによって、特性インピーダンスの連続性が損なわれ、反射波が発生して周波数応答に起伏を生じる。
そこで本発明は、音響管と放電型スピーカを組み合わせることにより、音響管の長さ方向における横断面積の変化を少なくして、特性インピーダンスの連続性を保ち、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ることのないようにしたヘッドホンを提供することを目的とする。

本発明は、横断面積が長さ方向において不変の音響管と、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上記音響管の外周に配置された外側電極と、内部電極と外側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上記音響管内で音声信号に応じた強さのコロナ放電を行なわせる駆動回路と、を備えていることを最も主要な特徴とする。

内部電極と外側電極との間に高電圧を印加することにより、音響管内の内部電極と外側電極の配置位置相互間でコロナ放電が発生する。上記高電圧は音声信号の強さに応じて変化し、コロナ放電は、その強さが音声信号の強さによって変化する。コロナ放電の強さの変化に応じて周辺の空気の温度が変化し、空気の温度変化に伴って空気が膨張、収縮し、音声信号に応じた音圧が発声する。この音圧が音響管内を伝播してユーザーの耳に到達し、ユーザーは音声を聞くことができる。音響管の横断面の面積は内部電極の部分以外は音響管の長さ方向において変化がなく、特性インピーダンスの連続性が保たれ、反射波の発生がほとんどなく、周波数応答に起伏のないヘッドホンを得ることができる。

以下、本発明にかかるヘッドホン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、符号１０は誘電体例えば石英ガラスからなる音響管を示している。この音響管１０の両端には、それぞれ他の音響管１８，２０がカップラー２２，２４の介在によって継ぎ足されている。音響管１０とその両端の音響管１８，２０は円滑に、かつ一直線上に連続していて、これらの音響管全体として一つの音響管を構成し、この音響管の一部を、上記誘電体からなる音響管１０が構成している。上記カップラー２２，２４は、電気的な絶縁材、例えばシリコンゴムからなり、円筒形状に作られている。両端部の音響管の材質は特に限定されず、誘電体からなる音響管１０の長さを十分長くして、後述の放電チャンバーから十分離れていればよい。

音響管１０内には内部電極１２が配置されている。内部電極１２は、例えば白金、インジュームなど放電電極として適した素材からなる。そして、内部電極１２は、上記のような素材が細長く加工されるとともに、長さ方向の途中で直角に曲げた形に加工され、互いに直角をなす一方側の片（以下、これを「外部接続片１２１」という）が音響管１０の周壁を直角方向に貫き、音響管１０の周壁に固定されている。内部電極１２の他方側の片（以下、これを「電極片１２２」という）は、その中心軸線が音響管１０の中心軸線に一致するように、したがって、音響管１０内の中心に沿って音響管１０と平行に伸びている。内部電極１２の電極片１２２の先端位置は、音響管１０の長さ方向の端面よりも十分内方に位置するように、また、上記外部接続片１２１が音響管１０を貫通する位置が音響管１０の長さ方向の端面よりも十分内方に位置するように、音響管１０の長さと内部電極１２の長さ、特に電極片１２２の部分の長さが設定されている。

音響管１０の外周には外側電極１４が、内部電極１２の上記電極片１２２の先端部を囲むことができる位置に配置されている。外側電極１０は円筒形状をしていて、電極材料に適した素材からなり、内周面が音響管１０の外周面に密着して位置ずれしないように固定されている。内部電極１２と外側電極１４との間に高電圧を印加すると、内部電極１２の上記電極片１２２の先端部と外側電極１４との間でコロナ放電が発生する。コロナ放電が発生する音響管１０の内部空間を放電チャンバー１６とする。音響管１０とその両側の音響管１８，２０で構成される一つの音響管の両端部は開放していて、一方の開放端、たとえば図１において左側の開放端には適宜の耳当て部材が装着されて、ユーザーの耳に当てることができ、あるいは耳穴に嵌めることができるようになっている。

内部電極１２と外側電極１４との間には、以下のような駆動回路から、音声信号によって変調された一定の周波数の高電圧信号が印加されるようになっている。駆動回路は、トランス３０、高電圧源３２、５極真空管２５、タンクコイル３６、可変容量コンデンサー３８などを主体としてなる。上記トランス３０の一次コイルの両端には、入力端子２６，２８から音声信号が入力されるようになっている。トランス３０の二次コイルの一端とアースとの間には直流の高電圧源３２が接続され、トランス３０の二次コイルの他端は高周波チョークコイル３４を介して真空管２５の第２グリッド（スクリーングリッド）Ｇ２に接続されている。直流の高電圧源３２は例えば５００〜８００Ｖ、あるいはこれよりも多少低い程度の電圧で、図示されていないが、商用交流電源を昇圧して平滑するようにした電源回路を用いてもよい。

真空管２５のプレートはタンクコイル３６を介して内部電極１２に、より具体的には内部電極１２の外部接続片１２１に接続されるとともに、可変容量コンデンサー３８を介してアースに接続されている。真空管２５の第１グリッドＧ１は外部電極１４に接続されるとともに、抵抗４０を介してアースに接続されている。真空管２５の第３グリッドに相当するビーム電極とカソードは内部で接続され、並列に接続されたバイアス抵抗４２及びコンデンサー４４を介してアースに接続されている。

次に、上記駆動回路の動作を説明する。外部電極１４−真空管２５の第１グリッドＧ１−真空管２５のプレート−タンクコイル３６および可変容量コンデンサー３８−内部電極１２−外部電極１４によって、ハウリングループが形成され、電気的な発振によって所定の周波数の信号が生成される。内部電極１２と外側電極１４との間に発生するコロナ放電は、破壊電界強度（Ｖ／ｃｍ）すなわち放電が発生する電圧が周波数によって異なり、２７〜３０ＭＨｚ付近において破壊電界強度が低く、低い電圧で放電しやすいことがわかっている。そこで、発振周波数が例えば２８ＭＨｚになるように可変容量コンデンサー３８を調整する。

前記端子２６，２８から音声信号が入力され、音声信号はトランス３０で昇圧され、チョークコイル３４を経て真空管２５の第２グリッドＧ２に入力される。また、この第２グリッドＧ２に入力される音声信号は、高電圧源３２から５００〜８００Ｖ程度の直流の高電圧が付加される。真空管２５のプレートにも図示されない高電圧源から５００〜８００Ｖ程度の直流の高電圧が付加されている。こうして高電圧が付加されかつ上記周波数で発振している真空管２５において、第２グリッドＧ２に音声信号が入力されることにより、上記周波数の発振信号が音声信号で変調されて出力される。この変調信号が内部電極１２と外側電極１４に印加される。

上記変調信号は高電圧の信号であり、かつコロナ放電しやすい周波数の信号であり、この信号が印加される内部電極１２と外側電極１４との間でコロナ放電が発生する。このコロナ放電は、音響管１０内において発生する。このコロナ放電の発生空間を放電チャンバー１６という。放電チャンバー１６で発生するコロナ放電の強さは内部電極１２と外側電極１４の間に印加される電圧によって変化し、この電圧は入力される音声信号によって変化する。コロナ放電の強さに応じて放電チャンバー１６内の空気の温度が変化する。空気の温度が変化するとその空気が膨張、収縮し、空気の膨張、収縮に応じて空気が振動し、音圧が発生する。この音圧は音声信号によって変化するので、音声信号に対応した音波が発生することになる。この音波は音響管１０、１８、２０の内部を伝播し、例えば音響管２０の開放端に耳を当てることによって音声を聴くことができる。

以上説明した実施例によれば、音響管の内部は、単に細い内部電極１２が配置されているだけであるから、音響管の長さ方向における横断面の面積は略不変であり、変化があるとしても僅かな変化であり、また、漏洩もなく、特性インピーダンスの連続性が保たれ、反射波の発生がほとんどなく、周波数応答に起伏のないヘッドホンを得ることができる。

音響管１０、１８、２０を含む音響管全体を１本の石英ガラス管などの誘電体で構成してもよいが、少なくとも放電チャンバー１６を囲む部分の音響管を誘電体で構成すれば足りる。内部電極１２と外側電極１４の間に誘電体を介在させることにより、安定した無声放電を実現することができる。加えて、２７〜２８ＭＨｚ程度の高周波を内部電極１２と外側電極１４からなる不平等電界電極に印加することにより、比較的低い電圧で無声放電を発生させることができる。
図示の実施例で、放電型スピーカの駆動回路に真空管を用いているのは、電源電圧を高くして放電が可能な振幅を確保する必要があるからである。
音響管は必ずしも直線状である必要はなく、内部の横断面積がほぼ不変であれば、長さ方向の途中が曲がっていてもよい。

本発明に係るヘッドホンの実施例を示す構造部分の縦断面図および駆動部の回路図である。 従来の放電型スピーカの例を示す縦断面図である。

符号の説明

１０ 音響管
１２ 内部電極
１４ 外側電極
２５ 真空管
３０ トランス

Claims (6)

1. 横断面積が長さ方向において不変の音響管と、
   上記音響管内に配置された内部電極と、
   上記内部電極の配置位置に対応して上記音響管の外周に配置された外側電極と、
   上記内部電極と外側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上記音響管内で音声信号に応じた強さのコロナ放電を行なわせる駆動回路と、を備えてなるヘッドホン。
2. 音響管は長さ方向の両端部が開放し、一端部が耳への装着部となっている請求項１記載のヘッドホン。
3. 音響管は、少なくとも内部電極の配置位置に対応する部分が誘電体からなる請求項１記載のヘッドホン。
4. 駆動回路は、真空管による発振回路を備え、真空管のグリッドに音声信号が入力されることにより、音声信号で変調された所定の周波数の信号を出力し内部電極と外側電極との間に印加する請求項１記載のヘッドホン。
5. 駆動回路はトランスを備えていて、このトランスの二次コイルから音声信号を真空管のグリッドに入力するように構成されている請求項４記載のヘッドホン。
6. トランスは昇圧トランスであり、真空管のグリッドに入力する電圧を高めるための直流電圧源が上記昇圧トランスの二次コイルに接続されている請求項５記載のヘッドホン。
   

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