JP2008228016A - コンデンサーヘッドホン - Google Patents

Abstract

【課題】昇圧トランスを用いることなく高電圧の音声信号を得ることができるようにして、小型化、軽量化を図ることができるコンデンサーヘッドホンを得る。
【解決手段】振動板６とこれに対向する固定電極７，８との間のコンデンサー容量を音声信号に応じて変化させることにより振動板６を振動させて音声を生成するコンデンサー型電気音響変換ユニットを備えたコンデンサーヘッドホン。音声信号を入力するコイル３が巻かれた超磁歪素子２と、超磁歪素子２の一端に接合された圧電素子４と、を備え、音声信号に対応して圧電素子４で生成される信号電圧を振動板６と固定電極７，８との間に印加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動板とこれに対向する固定電極との間のコンデンサー容量を音声信号に応じて変化させることにより、振動板を振動させて音声を生成するコンデンサーヘッドホンに関するもので、電気音響変換器として、コンデンサー構造を用いるとともに、これに超磁歪素子と圧電素子を付加していることを特徴とするものである。

コンデンサーヘッドホンは、相対向する振動板と固定電極との間に、実効値１００Ｖ程度の高い電圧の音声信号を印加して駆動するようになっている。通常の音声信号は比較的低い電圧の信号であるため、音声信号レベルを実効値１００Ｖ程度の高い電圧にまで昇圧する必要があり、一般的には昇圧トランスを用いて音声信号を昇圧するようになっている。通常の音声信号の電圧を実効値１００Ｖ程度の高い電圧にまで昇圧するには、変成比率を例えば１：７０というように大きくする必要がある。音声信号の周波数は２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ程度であり、かかる周波数帯域の音声信号を上記のように大きな変成比率の昇圧トランスを用いて昇圧すると、周波数応答が劣化する難点がある。また、変成比率の大きいトランスは大きくかつ重くなるので、ヘッドホンの小型化、軽量化を阻害する要因となる。

本発明は、上記のような従来のコンデンサーヘッドホンの問題点を、超磁歪素子と圧電素子を付加することによって解決するものである。圧電素子を電気音響変換素子として用いたものに、クリスタルタイプのイヤホンやレコード再生のためのピックアップがあるが、近年では、かかるクリスタルタイプの電気音響変換気はほとんど用いられなくなっている。近年では、超磁歪素子の磁歪現象を利用して電気音響変換するスピーカないしは音響装置が提案されている。以下、超磁歪素子を用いたスピーカないしは音響装置の先行技術について説明する。

特許文献１では、有底有蓋筒状で磁気経路を構成するヨークと、ヨークの蓋部に一端が固定され、他端が自由端に構成され、ヨークの筒状方向に配置され、磁界の変動に応じた変位を発生させる超磁歪素子と、ヨーク内で超磁歪素子周囲に配置され外部から供給される信号に応じた磁界を発生させるコイルと、一端が超磁歪素子の自由端に接すると共に、ヨークの底部の中心穴を貫通した他端が、超磁歪素子の変位を外部物体に伝達するように配置され、中間部に鍔部を有する振動ロッドと、振動ロッドに設けられた鍔部とヨークの底部とに挟まれて配置されるゴム弾性体と、自立するように振動ロッドの他端が外部物体上に載置された状態で、ヨークを介して超磁歪素子に荷重をかけ、この質量によって超磁歪素子の変位を外部物体に有効に伝達させるボディ部と、を備えた超磁歪スピーカが提案されている。

特許文献２では、厚さ方向に振動可能な略板状体の床又は道路の下方に配設された振動装置を有してなり、この振動装置によって床又は道路を振動させることで床面又は道路面から発音可能なスピーカであって、振動装置として、磁歪部材を備え、かつ、一端が質量部材に固定された略棒状体の磁歪ロッドと、磁歪ロッドの周囲に配設されたコイルと、を有してなるスピーカが提案されている。

特許文献３では、磁歪素子と、磁歪素子の伸縮方向に磁界を発生する磁界発生コイルと、磁歪素子の両端を移動自在に支持する支持部材と、磁歪素子の両端に異なる極性の直流磁界を付与する磁気回路と、磁歪素子の一端に固定された振動板と、を備えた広帯域の再生が可能な磁歪形スピーカ装置が提案されている。

特開２００６−３１１２５５号公報 特開２００５−２７７４７１号公報 特開２００４−３６３９６７号公報

特許文献１ないし３に記載されているスピーカは、超磁歪素子の磁歪効果を直接電気音響変換に利用したものであって、本願発明のように、コンデンサーヘッドホンに超磁歪素子を用いるものではなく、また、超磁歪素子と圧電素子を併せて用いるものでもない。

本発明は、電気音響変換部にコンデンサー構造とともに超磁歪素子と圧電素子を併用することにより、前述のような従来のコンデンサーヘッドホンの問題点を解消し、昇圧トランスを用いることなく高電圧の音声信号を得ることができるようにして、小型化、軽量化を図ることができるコンデンサーヘッドホンを提供することを目的とする。

本発明は、振動板とこれに対向する固定電極との間のコンデンサー容量を音声信号に応じて変化させることにより振動板を振動させて音声を生成するコンデンサー型電気音響変換ユニットを備えたコンデンサーヘッドホンであって、音声信号を入力するコイルが巻かれた超磁歪素子と、上記超磁歪素子の一端に接合された圧電素子と、を備え、音声信号に対応して上記圧電素子で生成される信号電圧を上記振動板と固定電極との間に印加することを最も主要な特徴とする。

コイルに音声信号を入力すると、コイル内に音声信号の対応した磁界が発生し、この磁界に対応して超磁歪素子に機械的な応力が発生する。この機械的な応力が圧電素子に伝わり、圧電素子の両端に上記音声信号に対応した高電圧の信号が発生する。この高電圧の音声信号がコンデンサー型電気音響変換ユニットを構成する振動板と固定電極に印加され、振動板が音声信号に対応して振動し、音声に変換されて出力される。
コイルに入力される音声信号は低電圧の信号で、この信号は超磁歪素子によって機械応力に変換され、この機械応力は圧電素子によって高電圧の音声信号に変換され、コンデンサー型電気音響変換ユニットに入力されてコンデンサー電気音響変換ユニットが駆動されることになる。
よって、従来のコンデンサーヘッドホンのように、変成比率の高い昇圧トランスを用いる必要がなく、小型で軽量のコンデンサーヘッドホンを得ることができる。

以下、本発明にかかるコンデンサー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１は、長方形の枠型に形成されたフレームを示している。フレーム１は金属などの剛体で製作されている。フレーム１の内部には、超磁歪素子２と圧電素子４がそれぞれの長さ方向に接合されてフレーム１の長辺方向に配置され、直列的に接合された超磁歪素子２と圧電素子４がフレーム１で挟持されている。超磁歪素子２と圧電素子４は同径の円柱状になっていて、超磁歪素子２と圧電素子４とが連続した円柱状になっている。超磁歪素子２には、これをコアとしてコイル３が適宜の回数巻かれている。コイル３はボビンに巻き、ボビンの中心孔に超磁歪素子２を挿入してもよい。コイル３には、信号源５が接続され、信号源５から音声信号が入力されるようになっている。コイル３に入力される音声信号の電圧レベルは、市販されているヘッドホンに入力される電圧レベルと同等の低電圧の信号レベルである。

コイル３に音声信号が入力されると、コイル２内に音声信号に対応した磁界が発生し、超磁歪素子２はその磁歪作用によって磁界に対応して伸縮する。この外部磁界による超磁歪素子２の寸法変化をジュール効果という。超磁歪素子２は圧電素子４とともに直列的に接合されてフレーム１で挟持されているため、寸法変化が制限され、超磁歪素子２の内部に機械的な応力を生じる。この応力が圧電素子４に伝達され、圧電素子４の両端に上記応力に応じた、したがって音声信号に対応した高電圧の信号を発生する。この圧電素子４で発生する高電圧の音声信号を、コンデンサー型電気音響変換ユニットに入力することによって、コンデンサー型電気音響変換ユニットを駆動することができる。図１に示す実施例は、圧電素子４で生成される高電圧の音声信号を単にコンデンサー型電気音響変換ユニットに入力するのではなく、より効率的にコンデンサー型電気音響変換ユニットを駆動できるように、コンデンサー型電気音響変換ユニットの構造および圧電素子４の構造、さらに電気的接続に工夫が施されている。これを具体的に説明する。

コンデンサー型電気音響変換ユニットは、コンデンサーマイクロホンに見られるように、音声にしたがって振動する薄膜からなる振動板と、この振動板に対し所定の隙間をおいて対向配置された固定電極を主体としてなる。振動板と固定電極とでコンデンサーを構成し、振動板と固定電極との間に印加する電圧を変化させると、電圧の変化にしたがって振動板が振動し、音声が生成される。
図１に示す実施例では、コンデンサー型電気音響変換ユニットの構成が、１枚の振動板６と、この振動板６を挟んで両側に配置された一対の固定電極７，８を有してなる。振動板６は円形になっていて、その周縁部が振動板支持体９によって支持されている。図１では振動板６と固定電極７，８が縦断面で示されている。一対の固定電極７，８は振動板６に対して所定の間隙をおいて配置されている。振動板６と固定電極７，８は、上記のような相対位置関係を保つように、図示されないユニットケースに内蔵されている。

前記圧電素子４は、複数の圧電素子が積層されることによって、電気的には直列に接続された構成になっていて、積層された圧電素子４の両端から信号が出力されるように、積層された圧電素子４の両端に出力端子が設けられている。したがって、両端の出力端子からは個々の圧電素子の出力電圧が加算されて出力される。そして、図１に示す実施例では、積層された圧電素子の中央に中間端子が設けられている。また、図１に示す実施例では、積層された圧電素子の中央から一端側の圧電素子も複数の圧電素子が積層されることによって圧電素子群４１が形成され、積層された圧電素子の中央から他端側の圧電素子も複数の圧電素子が積層されることによって圧電素子群４２が形成されている。

一方の圧電素子群４１の出力端子はリード線１１によって固定電極７に電気的に接続され、他方の圧電素子群４２の出力端子はリード線１２によって固定電極７に電気的に接続されている。この例では、リード線１１側が−極、リード線１２側が＋極になっている。圧電素子４の上記中間端子はリード線１３を介して振動板６に電気的に接続されている。図１に示す例では、リード線１３の途中に、振動板６に成極電圧を印加するための電源として、電池１４が接続されている。電源電池１４は、振動板６にプラスの電圧を印加するように接続されている。ただし、コンデンサー型電気音響変換ユニットがエレクトレット型の場合、成極電圧を印加する必要がないから、電池１４を接続することなく、リード線１３を直接振動板６に接続する。

信号源５から音声信号をコイル３に入力すると、コイル３に音声信号に対応した磁界が生成される。超磁歪素子２は、ジュール効果によって磁界の変化に対応して寸法を変化させようとするが、圧電素子４とともにフレーム１内に挟持されているため、寸法変化が規制され、超磁歪素子２内に機械的な応力が生じる。この機械的応力は圧電素子４に伝達され、圧電素子４の両端には、結果的に上記音声信号に対応した高電圧の信号が生成される。この高電圧の信号を、コンデンサー型電気音響変換ユニットを構成する振動板と固定電極との間に印加することにより、上記振動板を上記音声信号に対応して振動させ、振動板から音波を放射することができる。

図１に示す実施例では、圧電素子４は複数個積層することにより、圧電素子４としての出力電圧を直列的に加えた電圧として出力することができ、高電圧の出力を得るのが容易な構造になっている。また、圧電素子４を、二つの圧電素子群４１，４２に分け、これら圧電素子群の中間に中間端子を設けてこれを振動板６に接続している。そして、コンデンサー型電気音響変換ユニットは、上記振動板６と、この振動板６を挟んで対向配置した２個一対の固定電極７，８とで構成し、圧電素子群４１の一端の端子を固定電極７に、圧電素子群４２の他端の端子を固定電極８に接続している。したがって、超磁歪素子２と圧電素子４からなる昇圧手段により音声信号が高電圧に昇圧されて一対の固定電極７，８に印加され、振動板６は、固定電極７とで構成されるコンデンサー構造と、固定電極８とで構成されるコンデンサー構造の双方で駆動される。こうして、振動板６はこれを挟み込む固定電極７，８により効率的に駆動されるため、十分高い音圧の音波を出力することができる。

信号源５から入力される音声信号は一般的な低電圧の信号であっても、超磁歪素子２と圧電素子４によって高電圧に昇圧され、従来のコンデンサー型ヘッドホンのように、変成比率の高い昇圧トランスを使用する必要がなく、小型で軽量のコンデンサーヘッドホンを得ることができる。

本発明に係るコンデンサーヘッドホンの実施例を概略的に示す構造図および結線図である。

符号の説明

１ フレーム
２ 超磁歪素子
３ コイル
４ 圧電素子
５ 信号源
６ 振動板
７ 固定電極
８ 固定電極
４１ 圧電素子群
４２ 圧電素子群

Claims (6)

1. 振動板とこれに対向する固定電極との間のコンデンサー容量を音声信号に応じて変化させることにより振動板を振動させて音声を生成するコンデンサー型電気音響変換ユニットを備えたコンデンサーヘッドホンであって、
   音声信号を入力するコイルが巻かれた超磁歪素子と、
   上記超磁歪素子の一端に接合された圧電素子と、を備え、
   音声信号に対応して上記圧電素子で生成される信号電圧を上記振動板と固定電極との間に印加することを特徴とするコンデンサーヘッドホン。
2. 超磁歪素子と圧電素子が接合された形でフレームに挟持されている請求項１記載のコンデンサーヘッドホン。
3. 圧電素子は複数個が積層されている請求項１記載のコンデンサーヘッドホン。
4. コンデンサー型電気音響変換ユニットは、振動板と、この振動板の両側に対向して配置された一対の固定電極とを備え、圧電素子は複数個が積層されてなり、複数個の圧電素子の中間は上記振動板に電気的に接続され、積層された圧電素子の両端は上記一対の固定電極にそれぞれ電気的に接続されている請求項１記載のコンデンサーヘッドホン。
5. 積層された圧電素子は、その中間から一端まで複数個積層され、中間から他端まで複数個積層されている請求項４記載のコンデンサーヘッドホン。
6. 複数個の圧電素子の中間と振動板との間に、成極電圧を印加するための電源が付加されている請求項４記載のコンデンサーヘッドホン。

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