JP2010062622A - 静電型スピーカ - Google Patents

Abstract

【課題】製造に手間が掛からず、音孔を有する電極にエレクトレットが配置された静電型スピーカを提供する。
【解決手段】エレクトレット４０は、電極２０Ｕ，２０Ｌの片面において孔２１を塞がないように孔２１と孔２１の間に配置される。そして、エレクトレット４０が固着されている面を振動体１０側に向けて電極２０Ｕと電極２０Ｌが振動体１０を挟んで対向させられ、電極２０Ｕの縁部がスペーサ３０Ｕに固定され、電極２０Ｌの縁部がスペーサ３０Ｌに固定される。電極の表面にエレクトレットを固着してから電極とエレクトレットを貫通する音孔を設ける場合には、エレクトレットの変質や形状変化が発生する虞があるが、電極に一体化されるエレクトレット４０は、孔を塞がないようにして孔２１と孔２１の間に配置されるので、エレクトレット４０においては変質や形状変化が起きることがない。
【選択図】図３

Description

本発明は、静電型スピーカに関する。

特許文献１に記載されているように、対向する２枚の固定電極の間に振動膜を配置し、固定電極において振動膜に対向する面にエレクトレットを配置した静電型音響変換装置があり、この静電型音響変換装置においては、音響透過性を確保するため、一体化された固定電極とエレクトレットとを貫通する複数の音孔が設けられている。
さて、この静電型音響変換装置を製造する場合、音孔を有し一体化された固定電極とエレクトレットが必要となるが、音孔を有する電極と一体化されたエレクトレットを作る方法としては、特許文献２に開示された２つの方法がある。まず第１の方法は、孔を有する電極の上に孔を有するエレクトレットを積層するという方法であり、第２の方法は電極の上にエレクトレットを積層し、積層された電極とエレクトレットとに超音波加工またはレーザ加工で孔を開けるという方法である。

特開昭５８−１２０４００号公報 特開２０００−１３８９４号公報

ところで、音孔を有し一体化された電極とエレクトレットとを製造する場合、上述した特許文献２の第１の方法では、電極と孔とエレクトレットの孔とを位置合わせして積層する必要があるため製造に非常に手間がかかるという問題がある。また、特許文献２に開示された第２の方法では、超音波加工に用いられる砥粒を加工後に除去する手間がかかり、レーザ加工では熱による影響のためレーザー照射周辺部に変質、形状変化が起きるなどの問題がある。

本発明は、上述した背景の下になされたものであり、製造に手間が掛からず、音孔を有する電極にエレクトレットが配置された静電型スピーカ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、導電性を有する第１電極と、導電性を有し、前記第１電極に対向して離間配置された第２電極と、導電性を有し、前記第１電極と前記第２電極との間において前記第１電極および前記第２電極と離間して配置された振動体と、貫通孔がないエレクトレットとを有し、前記第１電極と前記第２電極の少なくとも一方は複数の貫通した音孔を有し、前記第１電極の振動体側の表面と前記第２電極の振動体側の表面には前記エレクトレットが固着され、前記音孔を有する電極においては、前記音孔をよけて複数の前記エレクトレットが固着されている静電型スピーカを提供する。

本発明においては、前記第２電極は複数の貫通した音孔を有し、前記第２電極の前記振動体側の表面においては、前記音孔をよけて複数の前記エレクトレットが固着されている構成であってもよい。

また、本発明においては、前記各電極表面の複数の区域毎に前記エレクトレットの電位が異なる構成であってもよい。
また、この構成においては、前記区域は、前記電極の縁側から縁より内側に向けて複数あり、隣接する区域の間では、縁より内側にある区域に固着されたエレクトレットの電位が縁側にある区域に固着されたエレクトレットの電位より高い構成であってもよい。

また、本発明においては、前記各電極表面の複数の区域毎に前記エレクトレットの面積が異なる構成であってもよい。
また、この構成においては、前記区域は、前記電極の縁側から縁より内側に向けて複数あり、固着されているエレクトレットの面積は各区域においては各々同じであり、隣接する区域の間では、縁より内側にある区域に固着されたエレクトレットの面積が縁側にある区域に固着されたエレクトレットの面積より広い構成であってもよい。

また、本発明においては、前記各電極表面の複数の区域毎に、区域内に固着された前記エレクトレットの総面積が異なる構成であってもよい。
また、この構成においては、前記区域は、前記電極の縁側から縁より内側に向けて複数あり、隣接する区域の間では、縁より内側にある区域内に固着された複数のエレクトレットの総面積が、縁側にある区域内に固着された複数のエレクトレットの総面積より広い構成であってもよい。

また、本発明においては、前記複数の区域は、同心である構成であってもよい。

本発明によれば、本発明の構成を有さない場合と比較して、音孔を有する電極にエレクトレットが配置された静電型スピーカの製造が容易である。

［実施形態］
図１は、本発明の実施形態に係る静電型スピーカ１の外観を模式的に示した図、図２は静電型スピーカ１の断面と電気的構成を模式的に示した図、図３は静電型スピーカ１の分解斜視図である。
この静電型スピーカ１は図に示したように、振動体１０、電極２０Ｕ，２０Ｌ、スペーサ３０Ｕ，３０Ｌ、および電極２０Ｕ，２０Ｌに固着された複数のエレクトレット４０を有している。なお、図中の振動体、電極、スペーサ、エレクトレット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表から裏に向かう矢印を意味するものとする。

（静電型スピーカ１の各部の構成）
まず、静電型スピーカ１を構成する各構成要素について説明する。
振動体１０は、ＰＥＴ（polyethylene terephthalate、ポリエチレンテレフタレート）のフィルムに導電性を有する金属を蒸着してフィルム表面に導電性を有する薄膜層を形成したものである。本実施形態においては、振動体１０の厚さは数μｍ〜数十μｍ程度の厚さとなっており、振動体１０のＸ方向およびＹ方向の長さは後述するスペーサ３０Ｕ，３０ＬのＸ方向およびＹ方向の長さより短くなっている。
なお、本実施形態においては、振動体１０は、ＰＰ（polypropylene、ポリプロピレン）などＰＥＴ以外の高分子材料のフィルムに導電性を有する金属の薄膜層を形成したものであってもよい。また、振動体１０においては、合成樹脂のフィルム表面に導電性塗料を塗布して導電性を有する薄膜層を形成するようにしてもよい。

スペーサ３０Ｕ，３０Ｌの素材は絶縁体（例えば合成樹脂やセラミックス）であり、その形状は図３に示したように矩形の枠形となっている。なお、本実施形態においては、スペーサ３０Ｕ，３０ＬのＸ方向およびＹ方向の長さと、電極２０Ｕ，２０ＬのＸ方向およびＹ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の厚み（Ｚ方向の高さ）は同じとなっている。

電極２０Ｕ，２０Ｌは、導電性を有する金属を矩形の板状に形成したものであり、複数の孔２１（音孔）が設けられている。なお、電極２０Ｕと電極２０Ｌの構成は同じであるため、以下の説明において両者の区別を必要としない場合には電極２０と称する。

エレクトレット４０は高分子材料に電荷を帯電させたものであり、形状は板状で貫通孔が設けられて無く長方形となっている。エレクトレット４０は、電極２０の片面において孔２１を塞がないように孔２１と孔２１の間に配置される。なお、本実施形態においては、電極２０Ｕに固着された複数のエレクトレット４０と、電極２０Ｌに固着された複数のエレクトレット４０はいずれも同じ電位となっている。また、エレクトレット４０の形状は長方形に限定されるものではなく、隣接する孔２１と孔２１の間に配置でき孔２１を塞がないのであれば正方形、菱形、台形、平行四辺形、円形、楕円形、多角形など他の形状であってもよい。
なお、エレクトレット４０は、荷電されたエレクトレットとなった部材を切り分けて図に示した形状や大きさにするのではなく、予め孔２１と孔２１の間に収まる形状や大きさに加工された高分子材料に荷電してエレクトレット４０を得るのが好ましい。これは、エレクトレットを切り分ける加工の際に加工の影響によりエレクトレットの電位が切り分け前より低下する虞があるためである。

また、エレクトレット４０を電極２０に固着する際には、人の手でエレクトレット４０を配置して固着するようにしてもよく、また、基板に部品を実装するマウンタや産業用ロボットなどを用いれば人の手で配置するより高速で正確に電極２０に固着することができる。本実施形態のように、孔２１を塞がないように複数のエレクトレット４０を配置すれば、背景技術で述べた第１の方法のように、エレクトレットに設けられた音孔と電極に設けられた音孔の位置合わせをしてエレクトレットを電極に固着するような手間が掛からないため、容易に電極とエレクトレットとの一体化を行うことができる。また、エレクトレット４０を電極２０に配置する際には、エレクトレット４０を固着すれば良いだけであるため、背景技術で述べた第２の方法のような手間や問題を生じることなくエレクトレット４０と電極２０とを一体化できる。

（静電型スピーカ１の構成）
静電型スピーカ１においては、スペーサ３０Ｕとスペーサ３０Ｌは、振動体１０の縁部を挟んで互いに固着されている。なお、本実施形態においては、振動体１０に張力が掛けられた状態でスペーサ３０Ｕとスペーサ３０Ｌとの間に挟まれている。

また、静電型スピーカ１においては、エレクトレット４０が固着されている面が振動体１０側に向けられて電極２０Ｕと電極２０Ｌが振動体１０を挟んで対向し、電極２０Ｕの縁部がスペーサ３０Ｕに固定され、電極２０Ｌの縁部がスペーサ３０Ｌに固定されている。なお、スペーサ３０Ｕとスペーサ３０ＬのＺ方向の高さは同じであるため、振動体１０から電極２０Ｕに固着されたエレクトレット４０までの距離と、振動体１０から電極２０Ｌに固着されたエレクトレット４０までの距離は同じとなっている。

（静電型スピーカ１の電気的構成）
次に、静電型スピーカ１の電気的構成について説明する。図２に示したように、静電型スピーカ１は変圧器５０、外部から音響信号が入力される入力部６０、直流バイアスを供給するバイアス電源７０とを備えている。入力部６０は変圧器５０の一次側に接続されている。また、バイアス電源７０のマイナス側は振動体１０に接続され、バイアス電源７０のプラス側は変圧器５０の２次側の中点（センタータップ）と接続されており、電極２０Ｕ，２０Ｌはそれぞれ変圧器５０の２次側の一端および他端に接続されている。

この構成においては、振動体１０の表面にある導電性を有する薄膜層はバイアス電源７０のマイナス側に接続されており、エレクトレット４０に対向する振動体１０の表面はマイナスとなる。
そして、入力部６０に音響信号が入力されていない状態においては、バイアス電源７０の電圧がＥ１、エレクトレット４０の電圧がＥ２とすると、バイアス電源７０の電圧Ｅ１とエレクトレットの電圧Ｅ２とを加算した電圧（Ｅ１＋Ｅ２）が、振動体１０と電極２０Ｕ（振動体１０と電極２０Ｌ）との間の電圧差となる。ここで、振動体１０とエレクトレット４０との間の電圧差は、電圧Ｅ１と電圧Ｅ２を加算した電圧（Ｅ１＋Ｅ２）であるため、エレクトレット単体またはバイアス電源単体の時より高い電圧差を得られる。
また、Ｅ１＋Ｅ２の電圧差をバイアス電源のみで得ようとすると、バイアス電圧を供給する配線については高電圧に対応する必要があるが、本実施形態によれば、バイアス電源から供給の電圧はＥ１のみとなりＥ１＋Ｅ２より低い電圧である。Ｅ１＋Ｅ２の電圧差をバイアス電源のみで得る場合と比較すると、バイアス電圧を供給する配線についてはより高い電圧に対応させる必要がなく、コストを抑えることができる。

（静電型スピーカ１の動作）
次に、静電型スピーカ１の動作について説明する。
入力部６０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，２０Ｌにそれぞれ印加される。
具体的には、正負の振幅を持つ音響信号が入力部６０に入力され、変圧器５０の２次側において電極２０Ｕに接続されている部分の電圧がセンタータップに対してプラスとなると、電極２０Ｕに固着されたエレクトレット４０と振動体１０との間の電圧差は、バイアス電源７０の電圧Ｅ１と、エレクトレット４０の電圧Ｅ２、および音響信号が変圧器５０で昇圧されて得られる電圧Ｅ３を加算したＥ１＋Ｅ２＋Ｅ３となる。
一方、電極２０Ｌに固着されたエレクトレット４０と振動体１０との間の電位差は、バイアス電源７０の電圧Ｅ１と、エレクトレット４０の電圧Ｅ２とを加算したＥ１＋Ｅ２であり、電極２０Ｕ側と電極２０Ｌ側との間に電位差が生じ、振動体１０が変位する。
なお、本実施形態においては、音響信号の振幅がピークとなった時に変圧器５０から出力される電圧と、バイアス電源７０の電圧Ｅ１とを加算した電圧値が、所定の電圧値を超えないように、バイアス電源７０の電圧Ｅ１が調整されている。

また、正負の振幅を持つ音響信号が入力部６０に入力され、変圧器５０の２次側において電極２０Ｌに接続されている部分の電圧がセンタータップに対してプラスとなると、電極２０Ｌに固着されたエレクトレットと振動体１０との間の電圧差は、バイアス電源７０の電圧Ｅ１と、エレクトレット４０の電圧Ｅ２、および音響信号が変圧器５０で昇圧されて得られる電圧Ｅ３を加算したＥ１＋Ｅ２＋Ｅ３となる。
一方、電極２０Ｕに固着されたエレクトレット４０と振動体１０との間の電位差は、バイアス電源７０の電圧Ｅ１と、エレクトレット４０の電圧Ｅ２とを加算したＥ１＋Ｅ２であり、電極２０Ｕ側と電極２０Ｌ側との間に電位差が生じ、振動体１０が変位する。

このように、入力部６０に音響信号が入力されると、振動体１０は電極２０Ｕまたは電極２０Ｌのいずれかの側へ引き寄せられるような静電力が働く。すなわち、振動体１０は音響信号に応じて同図のＺ方向に変位し(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、電極２０Ｕ，２０Ｌを通り抜けて静電型スピーカ１の外部に放射される。

［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、振動体１０とエレクトレット４０および電極２０との間には何ら部材が配置されていないが、例えば、綿に熱を加えて圧縮したクッション材のように、音響透過性と弾性および絶縁性を有する部材を振動体１０とエレクトレット４０および電極２０との間に配置してもよい。この構成によれば、振動体１０とエレクトレット４０とが接触するのを防ぐことができる。なお、このクッション材は、音響透過性と弾性および絶縁性を有するのであれば、合成繊維の不織布やエステルウールなど綿以外の素材であってもよい。また、クッション材を配置する場合、スペーサ３０Ｕとスペーサ３０Ｌとの間に振動体１０を張力を掛けずに配置してもよい。

上述した実施形態においては、帯電済みのエレクトレット４０を電極２０に貼り付けているが、帯電前のエレクトレットとなる部材を電極２０に固着し、固着後に荷電を行うことにより電極２０にエレクトレット４０が配置された構成となるようにしてもよい。

上述した実施形態においては、同じ電位のエレクトレットが電極２０Ｕ，２０Ｌに配置されているが、配置位置によってエレクトレットの電位を異ならせるようにしてもよい。
具体的には、図４に示したように、電極２０において縁に近い縁区域（図中の点線より外側の区域）では第１電位のエレクトレット４０Ａを配置し、電極２０の中央区域（図中の点線より内側の区域）ではエレクトレット４０Ａより高い第２電位のエレクトレット４０Ｂを配置するようにしてもよい。
また、図４のように２つの区域に区分けするのではなく、電極２０の縁から中央部に向けて電極２０を同心で３以上の区域に区切り、最も外側にある区域から中央にある区域に向かうにつれて、区域内に配置されたエレクトレットの電位が高くなるようにしてもよい。
この構成によれば、電極２０において縁区域のエレクトレット４０の電位は中央区域のエレクトレット４０の電位より低いため、振動体１０において電極２０Ｕ，２０Ｌの縁区域の間にある部分と、振動体１０において電極２０Ｕ，２０Ｌの中央区域の間にある部分とで振動体１０に作用する力が異なることとなり、振動体１０において電極２０Ｕ，２０Ｌの縁区域の間にある部分の振幅が振動体１０において電極２０Ｕ，２０Ｌの中央区域の間にある部分より小さくなる。つまり、振動体１０において電極２０Ｕ，２０Ｌの縁区域の間にある部分から放射される音の音圧は、振動体１０において電極２０Ｕ，２０Ｌの中央区域の間にある部分から放射される音の音圧より小さくなり、図４の構成を採用しない構成と比較してサイドローブを小さくすることができる。なお、上述した縁区域と中央区域の境の位置は、静電型スピーカ１の設計時に任意に設定できる。

上述した変形例では、電極２０を複数の区域に分け、区域毎に異なる電位のエレクトレットを配置しているが、区域毎に異なる大きさのエレクトレットを配置するようにしてもよい。具体的には、図５に示したように、電極２０において縁に近い縁区域（図中の点線より外側の区域）では第１の面積のエレクトレット４０Ｃを配置し、電極２０の中央区域（図中の点線より内側の区域）ではエレクトレット４０Ｃより面積の広いエレクトレット４０Ｄを配置するようにしてもよい。
なお、電極２０の縁から中央部に向けて電極２０を３以上の区域に区分けし、最も外側にある区域から中央にある区域に向かうにつれて、区域内に配置されたエレクトレットの面積が広くなるようにしてもよい。また、区域毎にエレクトレットの面積を異ならせると共に、エレクトレットの電位を異ならせるようにしてもよい。また、この変形例においては、例えば、縁区域に配置するエレクトレットを円形、中央区域に配置するエレクトレットを正方形とし、区域毎にエレクトレットの外形を異ならせるという構成を採用してもよい。

電極２０における孔２１の配置を図６に示した配置とし、この複数の孔２１の間にエレクトレット４０を配置してもよい。また、図面においては隣接するエレクトレット間に隙間があるが、隙間が生じないようにエレクトレット４０を電極２０の表面に敷き詰めるようにしてもよい。また、電極２０においては、図７に示したように、配置するエレクトレット４０について、縁区域と中央区域とでエレクトレット４０の数を異ならせ、縁区域の複数のエレクトレット４０の総面積が中央区域の複数のエレクトレット４０の総面積より狭くなるようにしてもよい。

本発明においては、図３の構成より複数のエレクトレット４０の総面積が広くなるように、図８に示したようにエレクトレット４０を配置してもよい。なお、図８の構成においては、図中で点線で示したように電極２０を列状に複数の区域に区分けし、区域毎に配置されるエレクトレット４０の電位を異ならせるようにしてもよい。また、図８の構成においては、区域が三列となっているが、中央の区域にあるエレクトレット４０の電位が中央より外側の区域にあるエレクトレット４０の電位より高くなるようにしてもよい。
また、図８のように列状に区分けした構成においては、縁側の区域にあるエレクトレット４０の面積が中央の区域にあるエレクトレット４０の面積より狭くなるようにしてもよい。
また、図８のように列状に区分けした構成において、図８に示された面積のエレクトレットに替えて図３に示した面積のエレクトレットを固着する場合、縁側の区域にある複数のエレクトレット４０の総面積が中央の区域にある複数のエレクトレット４０の総面積より狭くなるようにしてもよい。

なお、図８の構成においては区域の数は三つとなっているが区域の数は２つであってもよく、三つ以上であってもよい。また、電極２０を区分けする場合、図８に示した列状の区分けや図４に示した同心の区分けに限定されるものではなく、例えば行列の区分けされていてもよい。

上述した実施形態においては、振動体１０にバイアス電源７０が接続されているが、図９（ａ）に示したように、バイアス電源７０を設けず、変圧器５０の二次側の２つの端子の間を直列に接続された２つの抵抗で接続し、一方の抵抗と他方の抵抗の間の中点を振動体１０に接続するようにしてもよい。
また、図９（ｂ）に示したようにバイアス電源７０を設けず、変圧器５０の中点を直接振動体１０に接続するようにしてもよい。
また、図９（ｃ）に示したようにバイアス電源７０を設けず、電極２０Ｕに固着されたエレクトレット４０を負に帯電したエレクトレットとする一方、電極２０Ｌに固着されたエレクトレット４０を正に帯電したエレクトレットとし、変圧器５０の二次側の一方の端子を振動体１０に接続し、変圧器５０の二次側のもう一方の端子を電極２０Ｕと電極２０Ｌに接続して静電型スピーカ１を駆動するようにしてもよい。

上述した実施形態においては電極２０は金属で形成されているが、導電性を有する布を電極２０とし、この布に複数のエレクトレット４０を間隔を空けて規則的に配置してもよい。なお、導電性を有する布を電極とする場合、振動体１０と布との間に上述したクッション材を配置する。この構成においてスペーサ３０Ｕ，３０Ｌを使用せず、各部材を絶縁性を有する糸で縫い合わせれば、静電型スピーカ１は自在に折り曲げ可能となる。また、この構成においては、布は音響透過性を有するため、金属の電極のように孔２１を空ける必要がなく、容易に静電型スピーカ１を製造できる。なお、導電性を有する布は導電性を有する糸を織った布であってもよく、導電性を有する不織布であってもよい。

上述した実施形態においては、電極２０Ｕと電極２０Ｌの両方に孔２１があるが、片方の電極を孔の無い平板とし、もう片方の電極にのみ孔２１を設け、これらの電極にエレクトレット４０を固着してもよい。

本発明の一実施形態に係る静電型スピーカ１の外観図である。 静電型スピーカ１の断面図である。 静電型スピーカ１の分解斜視図である。 本発明の変形例に係る電極２０の図である。 本発明の変形例に係る電極２０の図である。 本発明の変形例に係る電極２０の図である。 本発明の変形例に係る電極２０の図である。 本発明の変形例に係る電極２０の図である。 本発明の変形例に係る静電型スピーカの断面図である。

符号の説明

１・・・静電型スピーカ、１０・・・振動体、２０Ｕ，２０Ｌ・・・電極、２１・・・孔、３０Ｕ，３０Ｌ・・・スペーサ、４０・・・エレクトレット、５０・・・変圧器、６０・・・入力部、７０・・・バイアス電源

Claims (5)

1. 導電性を有する第１電極と、
   導電性を有し、前記第１電極に対向して離間配置された第２電極と、
   導電性を有し、前記第１電極と前記第２電極との間において前記第１電極および前記第２電極と離間して配置された振動体と、
   貫通孔がないエレクトレットと
   を有し、
   前記第１電極と前記第２電極の少なくとも一方は複数の貫通した音孔を有し、
   前記第１電極の振動体側の表面と前記第２電極の振動体側の表面には前記エレクトレットが固着され、
   前記音孔を有する電極においては、前記音孔をよけて複数の前記エレクトレットが固着されていること
   を特徴とする静電型スピーカ。
2. 前記各電極表面の複数の区域毎に前記エレクトレットの電位が異な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. 前記各電極表面の複数の区域毎に前記エレクトレットの面積が異なることを特徴とする請求項１に記載の静電型スピーカ。
4. 前記各電極表面の複数の区域毎に、区域内に固着された前記エレクトレットの総面積が異なることを特徴とする請求項１に記載の静電型スピーカ。
5. 前記複数の区域は、同心であることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の静電型スピーカ。

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