JP5206087B2 - スピーカシステム - Google Patents

Description

本発明は、スピーカシステムに関する。

スピーカユニットを複数配列したシステムとしては、ダイナミック型のスピーカユニットを複数配列したスピーカシステムが良く知られている。しかしながら、このスピーカシステムにおいては、スピーカユニットに厚みがあり、また、奥行きのあるエンクロージャにスピーカユニットを収める必要があるため、スピーカシステムを薄型にするのが困難となっている。また、ダイナミック型のスピーカユニットでは磁石を使用するため、複数のスピーカユニットを使用するスピーカシステム周辺では強い磁界が生じ、周辺に電子機器がある場合には電子機器に悪影響を与える虞がある。
そこで、このような問題を解決するものとして静電型スピーカを複数配列したスピーカシステムが考案されている（特許文献１参照）。このスピーカシステムによれば、個々の静電型スピーカ（スピーカユニット）はダイナミック型のスピーカユニットと比較して薄く、また、奥行きのあるエンクロージャを必要としないため、ダイナミック型のスピーカユニットを使用するスピーカシステムより薄型にすることができる。また、ダイナミック型のスピーカユニットのように強い磁界を周辺に生じないため、電子機器に悪影響を与える虞もない。

特開平１０−２３４１００号公報

特許文献１に開示されているスピーカシステムでは、筐体に複数のスピーカユニット（静電型スピーカ）を配置してスピーカシステムが構成されている。しかしながら、この構成ではスピーカシステムを組み立てる際にスピーカユニットを一つ一つ筐体に取り付ける必要があり手間がかかる。また、複数のスピーカユニットを支持するため、筐体には剛性が必要となるが、剛性を高くすると筐体の重量が重くなりスピーカシステム全体の重量が重くなるという問題がある。

本発明は、上述した背景の下になされたものであり、軽量で薄型のスピーカシステムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために本発明は、導電性を有する振動膜と、導電性を有し前記振動膜を挟んで対向する複数の電極対とを有し、前記振動膜における振動の波の伝搬速度が空気中の音速未満となるように前記振動膜に張力が掛けられ、前記電極対は、隣接する電極対と離間していることを特徴とするスピーカシステムを提供する。

本発明においては、前記電極対は、前記振動膜を挟んで対向する平板の前記振動膜側表面に設けられていてもよい。
また、本発明においては、前記電極対は、導電性を有する布であってもよい。
また、本発明においては、前記振動膜と前記電極対の電極との間に、絶縁性、弾性および音響透過性を有する部材を有していてもよい。

本発明によれば、スピーカシステムを軽量にして薄型化できる。

［実施形態］
図１は、本発明の一実施形態に係るスピーカシステム１の外観を模式的に示した図、図２は、スピーカシステム１の断面図、図３は、スピーカシステム１の分解斜視図である。図に示したように、このスピーカシステム１は、振動体１０、電極２０Ｕ−１〜２０Ｕ―３、電極２０Ｌ−１〜２０Ｌ−３、スペーサ３０Ｕ，３０Ｌを有している。
なお、本実施形態においては、スペーサ３０Ｕ，３０Ｌの構成は同じであるため、両者を区別する必要が特に無い場合は「Ｌ」および「Ｕ」の記載を省略する。また、本実施形態においては、電極２０Ｕ−１〜２０Ｕ−３および電極２０Ｌ−１〜２０Ｌ−３の構成は同じであるため、各電極を区別する必要が特に無い場合は電極２０と記載する。また、図中の振動体、電極等の各構成要素の寸法は、構成要素の形状を容易に理解できるように実際の寸法とは異ならせてある。また、図中、「○」の中に「・」が記載されたものは図面の裏から表に向かう矢印を意味し、「○」の中に「×」が記載されたものは図面の表から裏に向かう矢印を意味するものとする。

（スピーカシステム１の各部の構成）
まず、スピーカシステム１を構成する各部について説明する。振動体１０は、例えば、ＰＥＴ（polyethylene terephthalate、ポリエチレンテレフタレート）またはＰＰ（polypropylene、ポリプロピレン）などの透明フィルムの表面に、導電性を有する金属の導電膜を形成したものである。振動体１０の厚さは、数μｍ〜数十μｍ程度の厚さで薄い膜状となっているため、外力を受けると自在に変形する。

スペーサ３０は、絶縁体で形成されており、その形状は図３に示したように正方形の枠の形状となっている。なお、本実施形態においては、スペーサ３０のＸ方向の長さと、電極２０のＸ方向の長さは同じとなっている。また、スペーサ３０Ｕとスペーサ３０ＬのＺ方向の高さは、いずれも同じとなっている。

電極２０は、導電性を有する金属を長方形の板状に形成したものである。なお、電極２０においては、音響透過性を確保するために、電極２０の表面から裏面に貫通する貫通孔２１が所定間隔で複数設けられている。

（スピーカシステム１の構造）
次にスピーカシステム１の構造について説明する。
スピーカシステム１においては、電極２０Ｌ−１〜２０Ｌ−３は、互いに接触しないように間隔を開けてスペーサ３０Ｌの下面に固定され、電極２０Ｕ−１〜２０Ｕ−３は、互いに接触しないように間隔を開けてスペーサ３０Ｕの上面に固定されている。そして、スペーサ３０Ｌの上面に振動体１０が固着され、振動体１０の上にスペーサ３０Ｕの下面が固着されている。

なお、本実施形態においては、振動体１０はたるみが生じないように張力を掛けられた状態でスペーサ３０Ｕとスペーサ３０Ｌの枠の間に固定されている。
また、電極２０Ｕ−１〜２０Ｕ−３は、各長辺が互いに平行になるようにしてスペーサ３０Ｕに固定されている。
また、電極２０Ｌ−１は、振動体１０を挟んで電極２０Ｕ−１と対向し、長辺が電極２０Ｕ−１の長辺と平行になるようにしてスペーサ３０Ｌに固定され、電極２０Ｌ−２は、振動体１０を挟んで電極２０Ｕ−２と対向し、長辺が電極２０Ｕ−２の長辺と平行になるようにしてスペーサ３０Ｌに固定され、電極２０Ｌ−３は、振動体１０を挟んで電極２０Ｕ−３と対向し、長辺が電極２０Ｕ−３の長辺と平行になるようにしてスペーサ３０Ｌに固定されている。

（スピーカシステム１の電気的構成）
次に、スピーカシステム１の電気的構成について説明する。図４は、スピーカシステム１の電気的構成を示した図である。図４に示したように、スピーカシステム１は変圧器５０−１〜５０−３、外部から音響信号が入力される入力部６０−１〜６０−３、振動体１０に対して直流バイアスを与えるバイアス電源７０とを備えている。

本実施形態においては、バイアス電源７０は、振動体１０の導電膜と、変圧器５０−１〜５０−３の出力側の中点と接続されている。
また、変圧器５０−１の出力側の一端は電極２０Ｕ−１に接続され、他端は電極２０Ｕ−１に対向している電極２０Ｌ−１に接続されている。そして、変圧器５０−１の入力側は入力部６０−１に接続されており、入力部６０−１に音響信号が入力されると音響信号に応じた電圧が電極２０Ｕ−１と電極２０Ｌ−１に印加される。
また、変圧器５０−２の出力側の一端は電極２０Ｕ−２に接続され、他端は電極２０Ｕ−２に対向している電極２０Ｌ−２に接続されている。そして、変圧器５０−２の入力側は入力部６０−２に接続されており、入力部６０−２に音響信号が入力されると音響信号に応じた電圧が電極２０Ｕ−２と電極２０Ｌ−２に印加される。
また、変圧器５０−３の出力側の一端は電極２０Ｕ−３に接続され、他端は電極２０Ｕ−３に対向している電極２０Ｌ−３に接続されている。そして、変圧器５０−３の入力側は入力部６０−３に接続されており、入力部６０−３に音響信号が入力されると入力された音響信号に応じた電圧が電極２０Ｕ−３と電極２０Ｌ−３に印加される。

（スピーカシステム１の動作）
次に、スピーカシステム１の動作について説明する。
変圧器から印加される電圧によって対向する電極２０Ｕ−１と電極２０Ｌ−１との間、対向する電極２０Ｕ−２と電極２０Ｌ−２との間および対向する電極２０Ｕ−３と電極２０Ｌ−３との間に電位差が生じると、振動体１０をＺ方向側またはＺ方向と反対の方向（−Ｚ方向）側へ引き寄せる静電力が振動体１０に働く。

例えば、入力部６０−１に音響信号が入力され、電極２０Ｕ−１にプラスの電圧が印加され、電極２０Ｌ−１にマイナスの電圧が印加されると、振動体１０の導電膜にはバイアス電源７０によりプラスの電圧が印加されているため、振動体１０において電極２０Ｕ−１と電極２０Ｌ−１との間にある部分（以下、第１部分という）は、プラスの電圧が印加されている電極２０Ｕ−１と反発する一方、マイナスの電圧が印加されている電極２０Ｌ−１に吸引されて電極２０Ｌ−１側へ変位する。
一方、入力部６０−１に音響信号が入力され、電極２０Ｕ−１にマイナスの電圧が印加され、電極２０Ｌ−１にプラスの電圧が印加されると、第１部分は、プラスの電圧が印加されている電極２０Ｌ−１と反発する一方、マイナスの電圧が印加されている電極２０Ｕ−１に吸引されて電極２０Ｕ−１側へ変位する。

また、入力部６０−２に音響信号が入力されると、音響信号に応じて電極２０Ｕ−２と電極２０Ｌ−２の間に電位差が生じ、振動体１０において電極２０Ｕ−２と電極２０Ｌ−２との間にある部分（以下、第２部分という）は、第１部分と同様にこの電位差に応じてＺ方向または−Ｚ方向へ変位する。
また、入力部６０−３に音響信号が入力されると、音響信号に応じて電極２０Ｕ−３と電極２０Ｌ−３の間に電位差が生じ、振動体１０において電極２０Ｕ−３と電極２０Ｌ−３との間にある部分（以下、第３部分という）は、第１部分と同様にこの電位差に応じてＺ方向または−Ｚ方向へ変位する。

このように、振動体１０が音響信号に応じて変位し(撓み)、その変位方向が逐次変わることによって振動となり、その振動状態（振動数、振幅、位相）に応じた音が振動体１０から発生する。発生した音は、少なくとも電極２０Ｕ−１〜２０Ｕ−３側または電極２０Ｌ−１〜２０Ｌ−３側の一方を通り抜けてスピーカシステム１の外部に放射される。

ここで、スピーカシステム１においては、入力部６０−１〜６０−３に入力する信号について、互いに異なる信号を入力することができる。そして、電極２０Ｕ−１と電極２０Ｌ−１との間の電位差と、電極２０Ｕ−２と電極２０Ｌ−２との間の電位差と、および電極２０Ｕ−３と電極２０Ｌ−３との間の電位差を異なるものとすることができ、これにより、第１部分、第２部分および第３部分とにおいて互いに異なる音を発生させることができる。つまり、電極２０Ｕ−１と電極２０Ｌ−１および第１部分で一つのスピーカユニットとして機能し、電極２０Ｕ−２と電極２０Ｌ−２および第２部分で一つのスピーカユニットとして機能し、電極２０Ｕ−３と電極２０Ｌ−３および第３部分で一つのスピーカユニットとして機能し、全体では複数のスピーカユニットが配列されたスピーカシステムとして機能する。

なお、周知のスピーカシステムでは、複数のスピーカユニットの各々に供給する信号に遅延処理を施し、各スピーカユニットに供給する信号の遅延量を異ならせることにより、スピーカシステムから発生する音の指向性を制御することが行われている。本実施形態においても、入力部６０−１〜６０−３に入力する各信号の遅延量を異ならせると、第１部分、第２部分および第３部分の各部分から遅延量に対応した音が発生し、スピーカシステム１から発生する音の指向性を制御することができる。

また、特許文献１に開示されたスピーカシステムのように、スピーカユニット（静電型スピーカ）を複数配列してスピーカシステムを得る構成では、複数のスピーカユニットを固定するために剛性を備えた筐体が必要となり筐体の分だけ重量がかさむこととなるが、本実施形態によれば、一枚の振動体１０で複数のスピーカユニットが配列されたスピーカシステムを得ることが可能であり、特許文献１に開示されたスピーカシステムのようにスピーカユニットを複数配列する必要がないため、特許文献１のような筐体が必要なく、その分重量を軽くすることができる。
また、本実施形態においては、１枚の振動体１０で複数のスピーカユニットが配列されたスピーカシステムを得られるため、特許文献１のスピーカシステムと比較してスピーカユニットを筐体に取り付ける手間がなく、組み立てが容易である。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、他の様々な形態で実施可能である。例えば、上述の実施形態を以下のように変形して本発明を実施してもよい。

上述した実施形態においては、電極２０Ｕ−１〜２０Ｕ−３は互いに接触しないように間隔を開けてスペーサ３０Ｕに固定されているが、各電極間に絶縁体を配置して隣あう電極が互いに接触しないようにしてもよい。また、電極２０Ｌ−１〜２０Ｌ−３についても同様に各電極間に絶縁体を配置して電極が互いに接触しないようにしてもよい。

上述した実施形態においては、電極２０は導電性を有する金属で形成されているが、導電性を有する糸を織った布であってもよい。なお、導電性を有する糸を織った布を電極２０とする構成にあっては、絶縁性、弾性及び音響透過性を有する部材を電極２０と振動体１０との間に配置し、振動体１０に張力を掛けなくてもよい。また、電極２０と振動体１０との間に配置する部材は、絶縁性、弾性及び音響透過性を有する素材で形成されていれば、スポンジ状、シート状、不織布など様々な形態をとることができる。また、この構成においては、スペーサ３０を柔軟性のあるものとするか、あるいはスペーサ３０を配置しなくてもよい。この構成によれば、スピーカシステム１を曲面状にしたり折り曲げたりするなど自在に変形させることができる。

振動体１０における振動の波の伝搬速度ｖは、振動体１０の張力をＳ［ｋｇ／ｃｍ］、重力加速度をｇ［ｃｍ／ｓ^２］、振動体１０の面密度をσ［ｋｇ／ｃｍ^２］とすると、以下の式で表される。

この式によれば、振動体１０の張力を大きくすると伝搬速度ｖが早くなることが分かる。しかしながら、この伝搬速度ｖが空気中の音速より大きいと、第１部分、第２部分および第３部分においては、隣接する他の部分からの振動の影響を受けて各部分の独立した振動が保てなくなり、各部分から生じる音の音響特性が悪くなる。このため、振動体１０に張力を掛ける場合には、伝搬速度ｖが空気中の音速未満となるように上記の式から張力求め、求めた張力を掛けるのが好ましい。
なお、振動体１０に張力を掛けつつ振動体１０をスペーサ３０に固定するには、スペーサ３０の一辺に振動体１０を接着した後、振動体１０に掛かる張力が上記数式から求めた張力となるように重りまたはバネで振動体１０を引っ張り、張力が掛けられている振動体１０をスペーサ３０に接着する方法がある。また、振動体１０をスペーサ３０に固定する際には、紫外線硬化接着剤を使用し、紫外線を照射して接着剤を硬化させて振動体１０をスペーサ３０に接着するようにしてもよい。また、振動体１０に張力を掛ける方法としては、スペーサ３０より大きい矩形の枠に振動体１０を貼付けておき、接着剤が塗布されたスペーサ３０を、振動体１０に掛かる張力が上記数式から求めた張力となるようにこの振動体１０に押しつけて振動体１０をスペーサ３０に接着するようにしてもよい。
また、特開昭５９−１０５８００号公報の第１図に開示されているように凸部分に張られた振動体の周囲を押し下げて振動体１０に張力を与えるようにしてもよい。
また、伝搬速度ｖを空気中の音速未満とするには、張力を予め定めた場合、上記の式から伝搬速度ｖが空気中の音速より小さくなる面密度を求め、求めた面密度となるように振動体を形成してもよい。

上述した実施形態においては、振動体１０を挟んで電極２０Ｕ−１と電極２０Ｌ−１、電極２０Ｕ−２と電極２０Ｌ−２、電極２０Ｕ−３と電極２０Ｌ−３というように、電極のペアが三つ並んでいるが、電極のペアの数は３つに限定されるものではない。例えば、図５に示したように、図中のＸ方向とＹ方向とに複数列で電極２０を配置（電極２０Ｕ−１１〜２０Ｕ−１６と、電極２０Ｌ−１１〜２０Ｌ−１６を配置）し、振動体１０を挟む電極２０のペアが４つ以上となるようにしてもよい。

上述した実施形態においては、振動体１０を挟んで電極２０を複数配置することによりスピーカユニットが複数設けられているが、スピーカユニットは、他の方法で構成されていてもよい。
図６は、本発明の変形例に係る固定極２５の斜視図である。
固定極２５は、基板２６と、導電層２７−１〜２７−３で構成されている。基板２６は、絶縁性を有する素材（例えば、ガラスやフェノール樹脂）で形成されており、その形状は矩形で板状となっている。また、導電層２７−１〜２７−３は、導電性を有する金属の層である。各導電層は形状が長方形となっており、基板２６の表面に間隔を開けて平行に設けられて電極として機能する。

固定極２５を使用する場合、電極２０Ｕ−１〜２０Ｕ−３および電極２０Ｌ−１〜２０Ｌ−３に替えて、この固定極２５をスペーサ３０Ｕの上面とスペーサ３０Ｌの下面とに固定する。
なお、各固定極２５は導電層側を振動体１０側に向けてスペーサ３０に固定し、スペーサ３０Ｕに固定された固定極２５の導電層２７−１と、スペーサ３０Ｌに固定された固定極２５の導電層２７−１とが対向し、スペーサ３０Ｕに固定された固定極２５の導電層２７−２と、スペーサ３０Ｌに固定された固定極２５の導電層２７−２とが対向し、スペーサ３０Ｕに固定された固定極２５の導電層２７−３と、スペーサ３０Ｌに固定された固定極２５の導電層２７−３とが対向するようにして固定される。また、導電層２７−１は、変圧器５０−１に接続され、導電層２７−２は、変圧器５０−２に接続され、導電層２７−３は、変圧器５０−３に接続される。

この構成においても、スペーサ３０Ｕ側の導電層２７−１とスペーサ３０Ｌ側の導電層２７−１、および振動体１０においてこの２つの導電層の間にある部分は一つのスピーカユニットとして機能する。また、スペーサ３０Ｕ側の導電層２７−２とスペーサ３０Ｌ側の導電層２７−２、および振動体１０においてこの２つの導電層の間にある部分と、スペーサ３０Ｕ側の導電層２７−３とスペーサ３０Ｌ側の導電層２７−３、および振動体１０においてこの２つの導電層の間にある部分も各々一つのスピーカユニットとして機能する。つまり、固定極２５を用いた場合にもスピーカユニットが複数配列されたスピーカシステムを得ることができる。

本発明においては、電極２０の形状は長方形に限定されるものではなく、多角形や円形または楕円形など他の形状であってもよい。また、固定極２５についても表明に配置される導電膜の形状は、多角形や円形または楕円形など他の形状であってもよい。

本発明の一実施形態に係るスピーカシステム１の外観図である。 スピーカシステム１の断面図である。 スピーカシステム１の分解斜視図である。 スピーカシステム１の電気的構成を示した図である。 本発明の変形例に係るスピーカシステムの分解斜視図である。 本発明の変形例に係る電極の斜視図である。

符号の説明

１・・・スピーカシステム、１０・・・振動体、２０Ｕ−１〜２０Ｕ−３，２０Ｌ−１〜２０Ｌ−３・・・電極、２５・・・固定極、２６・・・基板、２７−１〜２７−３・・・導電層、３０Ｕ，３０Ｌ・・・スペーサ、５０−１〜５０−３・・・変圧器、６０−１〜６０−３・・・入力部、７０・・・バイアス電源

Claims (4)

1. 導電性を有する振動膜と、
   導電性を有し前記振動膜を挟んで対向する複数の電極対とを有し、
   前記振動膜における振動の波の伝搬速度が空気中の音速未満となるように前記振動膜に張力が掛けられ、
   前記電極対は、隣接する電極対と離間していること
   を特徴とするスピーカシステム。
2. 前記電極対は、前記振動膜を挟んで対向する平板の前記振動膜側表面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のスピーカシステム。
3. 前記電極対は、導電性を有する布であることを特徴とする請求項１に記載のスピーカシステム。
4. 前記振動膜と前記電極対の電極との間に、絶縁性、弾性および音響透過性を有する部材を有することを特徴とする請求項３に記載のスピーカシステム。

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