JP2024533610A - 多層トランスデューサ - Google Patents

Abstract

静電トランスデューサ（２００）は、第一及び第二の可撓性導電膜（２０４、２０６）と第一及び第二の導電ステータ（２０８、２１０）とを備える。膜（２０４、２０６）及びステータ（２０８、２１０）は、ステータ（２０８、２１０）間に膜（２０４、２０６）があり、第一及び第二の膜（２０４、２０６）の間に密閉された封入された空気（２２６）の塊とを有する層状構成で組み立てられる。静電トランスデューサ（２００）は、使用時に膜（２０４、２０６）とステータ（２０８、２１０）との間に静電力を生じさせて膜（２０４、２０６）のステータ（２０８、２１０）に対する動きを起こさせる電位を印加するように配置される。【選択図】図２ａ

Description

本発明は、静電トランスデューサに関し、特にオーディオ信号を再生するのに適したラウドスピーカに関するが、これに限定されない。

従来の静電ラウドスピーカは、キャパシタを形成するために、二枚の穴の開いた導電性バックプレートの間に配置された導電膜を備える。ＤＣバイアスが膜に印加され、ＡＣ信号電圧が二つのバックプレートに印加される。この信号によって、帯電した膜に静電気力が働き、これは膜の両側で空気を駆動するように働く。

このような従来の静電ラウドスピーカのバリエーションが知られている。例えば、静電トランスデューサは、二つの膜を備えることができる。このような構成は、音圧レベル（ＳＰＬ）の増加など、トランスデューサの性能に関連していくつかの利点を提供することができる。しかし、この種の静電トランスデューサの音響性能を改善する必要性が、依然として存在する。

第一の態様から見ると、本発明は静電トランスデューサを提供し、これは、
第一及び第二の可撓性導電膜と、
第一及び第二の導電性ステータとを備え、
膜及びステータは、ステータ間に膜が存在する層状構成で組み立てられ、
静電トランスデューサは、使用時に膜とステータとの間に静電気力を生じさせて前記膜の前記ステータに対する動きを起こさせる電位を印加するように構成され、
第一及び第二の可撓性導電膜は、それぞれ第一及び第二の有効コンプライアンスを有し、第一の有効コンプライアンスは、第二の有効コンプライアンスよりも少なくとも１０％大きい。

本発明の第一の態様は、静電トランスデューサを製造する方法にも及び、この方法は、
第一及び第二の可撓性導電膜、並びに第一及び第二の導電性ステータを提供するステップと、
第一及び第二の可撓性導電膜と、第一及び第二のステータとを、ステータ間に膜が存在する層状構成で組み立てるステップと、
使用時に膜とステータとの間に静電気力を生じさせて膜のステータに対する動きを起こさせる電位を印加するように、前記静電トランスデューサを構成するステップと
を含み、
ここで、第一及び第二の可撓性導電膜は、層状構成での組み立て後、それぞれ第一及び第二の有効コンプライアンスを有し、第一の有効コンプライアンスは、第二の有効コンプライアンスよりも少なくとも１０％大きい。

当業者には理解されるように、「コンプライアンス」は、材料の剛性の逆数を指す当技術分野の用語であり、すなわち、コンプライアンスは、材料に加えられる単位力当たりに生じる材料の伸びを指す。材料（すなわち、この場合膜）が張力下で保持されるとき、張力は、単位力当たりに生じる伸びに影響を及ぼす。これも当業者には理解されるように、材料が保持される張力を考慮した、有効コンプライアンスを定義することができる。したがって、本明細書で使用される「有効コンプライアンス」という用語は、膜が層状構成で取り付けられたときの膜の張力を考慮に入れた有効コンプライアンスを指すことを、理解されたい。したがって、各膜の有効コンプライアンスは、トランスデューサ内で層状構成に組み立てられたときに、それぞれの膜に対して（それぞれの張力で）定義される。

また、当業者は理解するように、材料のコンプライアンス（したがって、張力下で保持される材料の有効コンプライアンス）は、必ずしも等方性ではなく、例えば、コンプライアンス及び有効コンプライアンスは、異方性（例えば、直交性）である可能性がある。一般に、コンプライアンス及び有効コンプライアンスは、それぞれテンソルとして表すことができる。本発明の文脈において、第一の膜の有効コンプライアンスが第二の膜の有効コンプライアンスよりも少なくとも１０％（または任意の他の特定のパーセンテージ）大きいと言う場合、該当する場合、これは、第一の膜の有効コンプライアンステンソルにおける各非ゼロ成分が、第二の膜の有効コンプライアンステンソルにおける対応する成分よりも少なくとも、指定されたパーセンテージだけ大きいことを意味すると理解できる。

一般に、トランスデューサ内に層状構成の二つの膜を設けることで、いくつかの利点を提供することができる。例えば、静電トランスデューサ内に第二の薄膜を設けることによって、トランスデューサの出力を増大させることができ、すなわち、与えられた入力電圧に対するＳＰＬ （音圧レベル）を増大させることができる。しかしながら、本出願人は、この構成が歪み（特に、共に共振する二つの膜から生じる相互変調歪み）を生じさせる可能性があり、周波数応答を改善させることが有益であることに注目した。

本出願人は、異なる有効コンプライアンスを有する膜を提供することにより、相互変調歪みの問題を軽減または除去することができるとともに、トランスデューサの性能をさらに改善することができることを認識した。トランスデューサ内の単一の膜は、膜の有効コンプライアンスに依存する特有の周波数応答を有する。単一の膜を有するトランスデューサの典型的な周波数応答の概略図を図１に示す。振動の振幅は、共振ピーク１０４まで周波数とともに増加し、ピーク後に減少し、次いで、より高い周波数において単調増加することが分かる。異なる有効コンプライアンスは、例えば共振ピークの位置を変更するなど、異なる周波数応答を提供する。

異なる有効コンプライアンスを有する第二の膜を提供することは、周波数応答に対する追加の寄与を提供し、ここで、追加の寄与は、異なる形状、例えば、異なる共鳴ピークを有する。したがって、トランスデューサ全体の周波数応答は、二つの膜の周波数応答を組み合わせた複合周波数応答である。コンプライアンスの差が十分に大きいとき、すなわち少なくとも１０％であるとき、複合周波数応答は、有益に改善された特性を有する。例えば、二つの異なる共鳴ピークの寄与により、単一の膜と比較して、または同じ有効コンプライアンスを有する二つの膜と比較して、より平坦な周波数応答を提供できる可能性がある。これは、上述したＳＰＬの増加との利点を依然として提供しつつ、二つの膜を提供することから生じうる歪みの影響を、有利に緩和することができる。

有効コンプライアンスの差、すなわち少なくとも１０％が、二つの膜を有するトランスデューサにおける製造公差に起因して生じる差よりも著しく大きいことは、上記の開示に照らして当業者によって理解されるであろう。膜の公称有効コンプライアンスと、製造公差（例えば、膜寸法及び／または膜張力）に起因して生じ得る実際の有効コンプライアンスとの間の差は、１％～２％以下であろう。したがって、有効コンプライアンスの差は、不注意で生じたものはなく、意図的に提供されるものである。

一連の実施形態では、第一の有効コンプライアンスは、第二の有効コンプライアンスよりも少なくとも１５％、例えば、少なくとも２０％、少なくとも２５％、または少なくとも３０％大きい。

第一の有効コンプライアンスと第二の有効コンプライアンスとの間の差は、任意の適切な方法で、例えば、異なる膜材料及び／または膜材料特性によって、異なる膜厚によって、異なる膜張力によって、他の膜特性または寸法によって、またはこれらのうちの二つ以上の組合せによって、達成することができる。

第一及び第二の膜は、異なる厚さを有してもよい。第一及び第二の膜が異なる厚さを有する結果として、第一の有効コンプライアンスは、第二の有効コンプライアンスよりも全体的にまたは部分的に大きくすることができる。

第二の膜の厚さは、第一の膜の厚さよりも少なくとも３％、例えば少なくとも５％、例えば少なくとも１０％大きくてもよい。

第一の膜の厚さは、１００μｍ未満、例えば５０μｍ未満、例えば２０μｍ未満、例えば１０μｍ未満であってもよい。第一の膜の厚さは、５μｍより大きく、例えば１０μｍより大きく、例えば２０μｍより大きくてもよい。

有効コンプライアンスの指定された差（例えば、有効コンプライアンスの１０％の差）を作り出すために必要とされる厚さの差は、膜の特性、例えば、膜材料に依存しうる。しかしながら、本開示の教示に照らして、当業者であれば、コンプライアンスの指定された差を達成するために、適切な厚さを選択することが可能である。

厚さは、平均厚さ、最小厚さ、または最大厚さを指してもよい。

追加で又は代替として、第一及び第二の膜は、異なる引張応力でトランスデューサに取り付けられてもよい。例えば、各膜は、製造中に異なる張力がかけられてもよい。第一及び第二の膜がトランスデューサに取り付けられたときに異なる引張応力である結果、第一の有効コンプライアンスは、第二の有効コンプライアンスよりも全体的にまたは部分的に大きくなりうる。

膜は、トランスデューサの製造中に異なる張力下に置かれてもよい。例えば、第一及び第二の膜は、異なる張力の下で、それぞれ第一及び第二のステータに、及び／又はスペーサ又はスペーサ構造に接合されてもよく、それによって、第一及び第二の膜が異なる引張応力を有するようになる。

第二の膜の引張応力は、第一の膜の引張応力より少なくとも５％大きく、例えば少なくとも１０％大きく、例えば少なくとも１５％大きく、少なくとも２０％大きく、例えば少なくとも２５％大きくてもよい。

第一の膜の引張応力は、２ＭＰａから５０ＭＰａ、例えば５ＭＰａから３０ＭＰａ、例えば１０ＭＰａから２０ＭＰａの範囲であってもよい。本明細書で使用される「引張応力」とは、膜の平均引張応力を指す。

一つの限定的でない例示的な実施形態では、トランスデューサは、５０μｍ厚のＢＯＰＰ（二軸延伸ポリプロピレン）から作られた第一及び第二の膜を有し、第一の膜は２０ＭＰａの平均引張応力を有し、第二の膜は２４ＭＰａの平均引張応力を有する。

追加で又は代替として、第一及び第二の膜は、異なる材料から作られていてもよい。第一の有効コンプライアンスは、第一及び第二の膜が異なる材料から作られている結果として、第二の有効コンプライアンスよりも全体的にまたは部分的に大きくなりうる。

一つの限定的でない例示的な実施形態では、第一の膜はＢＯＰＰから作られ、第二の膜はＢｏＰＥＴ（二軸延伸ポリエチレンテレフタレート）から作られ、第一及び第二の膜は同じ厚さ及び同じ引張応力を有する。これは、材料のグレードによっては、約３２％の有効コンプライアンスの差を提供しうる。

一連の実施形態では、各膜は、例えば可撓性絶縁層及び導電層を含む、積層構造を備える。例えば、各膜は、その片側に導電性（例えば、金属）層を有する可撓性絶縁層（例えば、ポリマー材料）を備え、さらなる可撓性絶縁層（例えば、同じまたは異なるポリマー材料）を導電性層の上に設ける（例えば、導電性層に接合される）ことができる。一つの特定の限定的でない例として、各膜は、その上に金またはアルミニウムの金属コーティングが蒸着されたＢＯＰＰ層と、金属コーティング上に積層されそれに接着剤で接合されたさらなるＢＯＰＰ層とを備えていてもよい。

しかし、これは必須ではなく、一連の可能な実施形態では、各膜は、その一方の側（例えば、トランスデューサに取り付けられたときに、もう一方の膜とは反対側を向く膜の側）に導電層（例えば、蒸着された金属コーティング）を有する可撓性絶縁材料（例えば、ポリマー）の層を備えるか、またはこの層からなり、導電層上に積層され導電層に接合される追加の可撓性絶縁層を有さない。一つの特定の限定的でない例として、各膜は、片側に導電層（例えば、薄い金またはアルミニウムが蒸着されたコーティング）を有するＢＯＰＰのシートから作られてもよい。

好ましくは、各膜について、異なるものとして指定されるパラメータ及び／または特性を除いて、膜特性、材料、及び取り付けに関する任意の他のパラメータは、製造公差内で同一である。上述のように、二つ以上のパラメータまたは特性が膜間で異なっていてもよく、例えば、有効コンプライアンスにおいて指定された差が達成されるように、膜は、異なる厚さであり異なる引張応力を有することができる。好ましい実施形態では、厚さ、材料、及び引張応力から選択される一つのパラメータ／特性のみが、膜間で異なる。したがって、任意の実施形態では、第一及び第二の膜は同じ厚さを有していてもよい。同様に、第一及び第二の膜は、同じ材料または同じ材料の組み合わせから作られていてもよい。同様に、第一及び第二の膜は、同じ引張応力でトランスデューサに取り付けられてもよい。

上述のように、間に間隙を有する二つの膜を設けることにより、トランスデューサ性能を改善することができる可能性がある。一連の実施形態では、第一及び第二の膜は、それらの間に間隙を有してトランスデューサに取り付けられる。

しかしながら、本出願人は、第一の膜と第二の膜との間に封入された空気の塊が設けられる場合、トランスデューサの性能における特定の利益及び改善が達成されうることを認識した。例えば、このような封入された塊は、音響インピーダンスを提供し、高周波数において膜を減衰させ、低周波数においてより大きな有効質量を提供する、空気クッションを提供することができる。これは、低い周波数を強化し、高い周波数を平坦化することができ、全体的に平坦な周波数応答が得られる。一連の実施形態では、トランスデューサは、第一の膜と第二の膜との間に密閉された封入された空気の塊を含む。

これは、これ自体で新規かつ発明的であり、したがって、第二の態様から見て、本発明は静電トランスデューサを提供し、これは、
第一及び第二の可撓性導電膜と、
第一及び第二の導電性ステータと
を備え、
膜及びステータは、ステータ間に膜があり、第一の膜と第二の膜との間に密閉された封入された空気の塊を有する層状構成で組み立てられており、
静電トランスデューサは、使用時に膜とステータとの間に静電気力を生じさせて膜のステータに対する動きを起こさせる電位を印加するように構成される。

本発明の第二の態様は、静電トランスデューサを製造する方法にまで及び、この方法は、
第一及び第二の可撓性導電膜、ならびに第一及び第二の導電性ステータを提供するステップと、
第一及び第二の可撓性導電膜と第一及び第二のステータとを、ステータの間に膜があり、第一及び第二の膜の間に密閉された封入された空気の塊を有する層状構成で組み立てるステップと、
膜とステータとの間に静電気力を生じさせて、膜のステータに対する動きを起こさせる電位を印加するように、静電トランスデューサを構成するステップと、
を含む。

適用可能であれば、第一の態様のオプションの特徴は第二の態様の特徴であってもよく、逆もまた同様である。

第一の膜と第二の膜との間に密閉された空気の塊が「封入されている」と言った場合、これは、空気が、隙間なくすべての側から取り囲まれていることを意味することを理解されたい。例えば、当業者は、薄膜が、それを通して気体の通過が可能となりうることを理解しているであろうし、したがって、密閉された空気の塊は、必ずしも、第一の膜と第二の膜との間に気密封止される必要はないことを理解されたい。より正確には、「封入されている」とは、空気が、音響波を伝達する形で塊の内外に自由に移動することができないことを意味する。通気孔（例えば、静的均等化のために設けられる）は、通常必要ではなく、好ましくは、通気孔は設けられない。

第一及び第二の膜は、それらの間に位置するスペーサまたはスペーサ構造と共にトランスデューサ内に取り付けられてもよい。第一及び第二の膜は、スペーサまたはスペーサ構造と共に、空気の塊を封入することができる。例えば、スペーサまたはスペーサ構造は、第一及び第二の膜に、例えば、各膜のそれぞれの外縁に接合されて、封入された塊の空気を密閉することができる。追加のスペーサまたはスペーサ構造を使用して、第一及び第二の膜を、第一及び第二のステータからそれぞれ分離することができる。第一の膜と第一のステータとの間の間隔は、任意の適切な値、例えば１５μｍから３ｍｍ、例えば０. １ｍｍから１ｍｍ、例えば約０. ５ｍｍであってもよい。第二の膜と第二のステータとの間の間隔は、任意の適切な値、例えば１５μｍから３ｍｍ、例えば０. １ｍｍから１ｍｍ、例えば約０. ５ｍｍであってもよい。

トランスデューサは、膜の間に密閉された複数の空気の塊を有してもよい。例示的な一実施形態では、スペーサは、壁によって分離された複数の大きな開口を有する材料の層を備え、膜はそれぞれ開口の間の壁に接合される。したがって、各開口は、膜によって密閉される空気の塊を画定することができる。例えば、スペーサは、格子形状（例えば、六角格子または正方格子）を有していてもよい。

第一の膜と第二の膜との間の間隔は、任意の適切な値を有することができる。一般に、間隔は、例えばより大きなＳＰＬを提供するために、またはより低い周波数を強化するために、トランスデューサの用途に基づいて選択することができる。間隔は、５ｍｍ未満、例えば２ｍｍ未満であってもよい。本明細書で議論されるように、膜の間の間隔は、膜がゆがめられていない位置にあるときの間隔を指す。間隔という用語は、膜上のそれぞれの中心点間の垂直距離を指しうる。

一連の実施形態では、第一の膜と第二の膜との間に介在要素が存在しない、すなわち、膜間に空隙のみが存在する。第一の膜と第二の膜との間の間隔は、少なくとも５μｍ、例えば少なくとも５０μｍ、例えば少なくとも１００μｍであってもよい。これは、膜間に十分な空気クッションを提供し、上記の利点をトランスデューサ性能にもたらすために役立つ。

一般に、第一及び第二の膜は電気的に結合されてもよいが、これは必須ではない。第一の膜と第二の膜との間に介在要素がない実施形態では、第一の膜と第二の膜とは電気的に結合されるのが好ましい。

一般に、トランスデューサは、オーディオ信号を表す変動電圧に応答して膜に動きを起こさせるために、任意の適切な方法で電気的にバイアスされうる。好ましくは、静電トランスデューサは、電圧を印加するように構成されたバイアス装置を備える。限定的ではない例として、第一の膜と第二の膜との間に介在要素のない実施形態では、第一のステータ及び第二のステータに印加される変動電圧とともに、第一の膜及び第二の膜にＤＣバイアスＶ_ｂを印加することができる（例えば、電圧Ｖ_１＋Ｖ（ｔ）を第一のステータに印加することができ、ここで、Ｖ_１はバイアスオフセットであり、Ｖ_１＜Ｖ_ｂであり、Ｖ（ｔ）はオーディオ信号に対応する変動電圧であり、さらに電圧Ｖ_２－Ｖ（ｔ）を第二のステータに印加することができ、ここで、Ｖ_２はバイアスオフセットであり、Ｖ_２＜Ｖ_ｂである）。

一連の実施形態では、さらなる導電性ステータが、第一の膜と第二の膜との間に設けられる。このような実施形態では、第一の膜と第二の膜との間の間隔は、少なくとも２０μｍ、例えば少なくとも５０μｍが好ましい。さらなるステータは、好ましくは、空気が通過することを可能にする穿孔を備える。したがって、膜間に密閉された封入された空気の塊を含む実施形態では、空気の塊にさらなるステータが含まれうる。さらなるステータは、それぞれの第一及び第二のスペーサによって、第一及び第二の膜の各々から分離することができる。第一及び第二のスペーサは、さらなるステータならびに第一及び第二の膜に（たとえば、さらなるステータ及び各膜の外縁に）接合することができ、膜、第一及び第二のスペーサ、ならびにさらなるステータの接合部分が、ともに空気の塊を封入する。

第一及び第二のステータは、好ましくは、空気が通過することを可能にする穿孔を備える。第一のステータ、第二のステータ、及び／または（設けられる場合）さらなるステータは、膜に面する一つまたは複数の表面上に絶縁コーティングを備えることができる。

第一の膜と第二の膜との間にさらなる導電性ステータを有する実施形態では、膜は電気的に結合されてもよいが、好ましくは、膜は互いに電気的に絶縁されている。

上述のように、トランスデューサは、任意の適切な方法で電気的にバイアスされうる。限定的ではない例として、第一の膜と第二の膜との間にさらなる導電性のステータを備える実施形態では、第一ステータ及び第二のステータに印加される変動電圧とともに、第一の膜、さらなるステータ、及び第二の膜に、それぞれのＤＣバイアスＶ_ａ、Ｖ_ｂ、及びＶ_ｃ（例えば、Ｖ_ａ＜Ｖ_ｂ＜Ｖ_ｃ）を与えることができる（例えば、電圧Ｖ_１＋Ｖ（ｔ）を第一のステータに印加することができ、ここで、Ｖ_１はバイアスオフセットであり、Ｖ_１＜Ｖ_ａであり、Ｖ（ｔ）はオーディオ信号に対応する変動電圧であり、さらに電圧Ｖ_２－Ｖ（ｔ）を第二のステータに印加することができ、ここで、Ｖ_２はバイアスオフセットであり、Ｖ_２＜Ｖ_ｃである）。

いくつかの実施形態では、トランスデューサは、三つ以上の膜を備える。第一及び第二の膜に加えて、第一及び第二のステータの間に一つまたは複数のさらなる膜があってもよい。例えば、トランスデューサは、第一及び第二のステータの間に三つ以上の膜（第一及び第二の膜を含む）を有する第一及び第二のステータを備えるか、またはこれらから構成されていてもよい。このような構成は、任意の適切な方法で電気的にバイアスすることができる。例えば、膜は全て互いに電気的に結合され、第一のステータ及び第二のステータに印加される変動電圧とともに、一つのＤＣバイアスがステータ間の膜の全てに印加されてもよく、すなわち、これは二つの膜を有するバージョンについて上述したものと同様の構成であるが、全て電気的に結合された三つ以上の膜を有している。

上述のように、一連の実施形態では、トランスデューサは、第一の膜と第二の膜との間にさらなる（すなわち、第三の）ステータを備えることができる。これらの実施形態のサブセットでは、トランスデューサは、三つより多いステータと、三つより多い膜とを備えることができる。例えば、トランスデューサは、Ｎ個のステータと、Ｎ－１個の膜とを備えることができ、Ｎは少なくとも４である。ステータ及び膜は、第一及び第二のステータが最も外側にある交互の層状構成で配置されてもよい。このような構成は、任意の適切な方法で電気的にバイアスすることができる。

バイアス装置の限定的でない一つの例では、変動電圧が各ステータに印加され、ＤＣバイアスが各膜に印加されうる。第Ｎのステータ（トランスデューサを通して順番に番号付けされる）に印加される変動電圧は、電圧Ｖ_ｂのＮ倍のバイアスオフセットを含む。これにより、任意のステータのペアにかかる電圧をそのブレークダウン電圧より十分低く保ちながら、トランスデューサ全体に大きな電圧を供給することができる（したがって、出力パワー及びＳＰＬを改善する）。変動成分の電圧振幅の大きさは、各ステータに対して同じであるが、変動成分の、奇数番号のステータに対する極性は、偶数番号のステータに対する極性と逆である。各膜に印加されるＤＣ電圧の大きさは同じであるが、奇数番号の膜に対する極性は、偶数番号の膜に対する極性と逆である。しかしながら、これは単なる一例であり、他のバイアス構成も可能である。

次に、添付の図面を参照して、例示のみを目的として、特定の好ましい実施形態が説明される。

図１は、参考のために、単一の膜を有する典型的な静電トランスデューサの周波数応答の概略図を示す。 図２ａは、本発明に係る静電トランスデューサの第一の実施形態の概略断面図を示す。 図２ｂは、図２ａに示される実施形態の概略斜視図を示す。 図２ｃは、第一の実施形態の第三スペーサの平面図を示す。 図３ａは、本発明に係る静電トランスデューサの第二の実施形態の概略断面図を示す。 図３ｂは、図３ａに示される実施形態の概略斜視図を示す。 図４ａは、それぞれが単一の膜で製造された二つの個別のトランスデューサのそれぞれの周波数応答の概略図を示し、ここで、それぞれのトランスデューサの膜は、異なる有効コンプライアンスを有する。 図４ｂは、従来技術のトランスデューサ及び本発明に係るトランスデューサのそれぞれの周波数応答の概略図を示す。

図１は、参考のために、単一の膜を有する典型的な静電トランスデューサの周波数応答１００の例示的な概略図を示す。周波数応答の低周波数部分１０２は、比較的低いＳＰＬ （音圧レベル）を生成することが分かる。ＳＰＬは、より高い周波数において共鳴ピーク１０４を有し、次いで、最高周波数部分１０６は、その後周波数の増加とともに増加する。この周波数応答は、特に低周波数での応答が悪く、共振ピークでの応答が不釣り合いに強いため、理想的ではない。入力オーディオ信号に基づく出力音波の忠実度を改善するためには、より強い低周波応答を有するより平坦な周波数応答プロファイルが望ましい。

図２ａ及び図２ｂは、本発明に係る静電トランスデューサ２００の第一の実施形態を示す。静電トランスデューサ２００は、バイアス装置２１２と共に、膜２０４、２０６及びステータ２０８、２１０の層状構成を備える。図２ａは、層状構成の概略断面図を示す。図２ｂは、層状構成の概略斜視図を示す。図２ａ及び図２ｂは、縮尺通りではない。

この層状構成は、第一のステータ２０８と第二のステータ２１０との間に配置された、第一の膜２０４と第二の膜２０６とを備える。第一の膜２０４及び第二の膜２０６はそれぞれ、可撓性導電層を備える。第一及び第二のステータ２０８、２１０はそれぞれ、膜２０４、２０６によって生成された音波がステータ２０８、２１０を通過して周囲環境に入ることを可能にするために、その中に孔２１４のアレイを有する硬質導電シート（この例ではアルミニウムシート）を備える。他の実施形態では、ステータ２０８、２１０は、異なる材料または材料の組み合わせを含んでもよい。

トランスデューサ２００はまた、第一及び第二のスペーサ２１６、２１８を備える。第一のスペーサ２１６は、第一の膜２０４と第一のステータ２０８との間に配置され、これにより、第一の膜２０４と第一のステータ２０６とが互いに離間した関係で保持される。第一の膜２０４及び第一のステータ２０８は、接着剤を用いて第一のスペーサ２１６に接合される。第二のスペーサ２１８は、同様に第二の膜２０６と第二のステータ２１０との間に配置され、これらに接合され、これにより第二の膜２０６と第二のステータ２１０とは、互いに離間した関係で保持される。

この例では、第一の膜２０４と第一のステータ２０８との間の間隔は１ｍｍであり、第二の膜２０６と第二のステータ２０８との間の間隔も１ｍｍであるが、他の間隔も可能である。

トランスデューサ２００は、第一の膜２０４と第二の膜２０６との間に配置された第三のスペーサ２２０をさらに備える。図２ｃは、第三のスペーサ２２０の平面図を示す。この例では、第三のスペーサ２２０は、正方形の形状を有し（他の形状も可能であるが）、中央の孔２２４を四つの側面で取り囲む、切れ目のない周縁２２２を備えていることが分かる。第一の膜２０４と第二の膜２０６との間である第三のスペーサ２２０の位置も、図２ｂに見ることができる。第三のスペーサ２２０は、膜２０４、２０６の全周にわたって接合され、これにより周縁２２２は、膜２０４、２０６と共に、孔２２４内に空気２２６の塊を封入し、その囲い内に隙間のない、完全な囲いを形成する。切れ目のない周縁２２２は、二つ以上の部品から形成されてもよいが、そのような部品は、隙間または空気孔なしに、一緒に接着または封止される。上述及びさらに後述するように、二つの膜の間に封入された空気の塊を設けることにより、トランスデューサの性能、特に周波数応答が改善される。

この例では、膜の間の間隔は０．５ｍｍであるが、他の間隔も可能である。

第一及び第二の膜２０４はそれぞれ、それぞれ有効コンプライアンスを有する。前述のように、有効コンプライアンスは、膜構造、寸法及び／又は材料、並びにそれが取り付けられる方法に関する多くの要因に依存する可能性がある。図２ａ及び２ｂの例示的な実施形態では、膜２０４、２０６は、構造、材料及び寸法が同一である。この例では、各膜は５０μｍの厚さであり、その上にアルミニウムコーティングが蒸着されたＢＯＰＰポリマーシートと、アルミニウム層の上に接合されたＢＯＰＰのさらなる層とを備える。他の実施形態では、膜は、異なる材料、またはこの特定の例からの及び／又は、相互からの材料の組み合わせを含んでもよく、例えば、図２ａ及び２ｂの変形例では、膜２０４、２０６は、それぞれ、片面にアルミニウムコーティングを有する単一のＢＯＰＰシートを備えていてもよい。

有効コンプライアンスの差を与えるために、二つの膜は、各膜がその表面にわたって異なる平均引張応力となるように取り付けられる。第一の薄膜２０４は、その表面にわたる平均引張応力が２０ＭＰａであり、第二の薄膜２０６は、その表面にわたる平均引張応力が２４ＭＰａである。

図２ａ及び２ｂの実施形態の変形例では、第一及び第二の膜２０４、２０６は、同じ材料で作られ、同じ引張応力で層状構成に取り付けられるが、異なる厚さを有する。この変形例では、第一の膜２０４は５０μｍの厚さを有し、第二の膜２０６は５３μｍの厚さを有する。厚さの差により、第一の膜２０４の有効コンプライアンスは、第二の膜２０６の有効コンプライアンスよりも約２０％高い。

図２ａ及び２ｂの例示的な実施形態では、第一及び第二の膜２０４、２０６は電気的に結合され、バイアス装置２１２は、膜２０４、２０６に直流バイアスＶ_ｂを供給する。バイアス装置２１２はまた、第一及び第二のステータ２０８、２１０に変動電圧を供給する。各ステータ２０８、２１０に与えられる電圧は、バイアスオフセット（第一のステータ２０８についてはＶ_１及び第二のステータ２１０についてはＶ_２）及び再生されるオーディオ信号に対応する変動成分Ｖ（ｔ）を含む。変動成分は、各ステータ２０８、２１０に対して反対の極性を有しており、これにより電圧Ｖ（ｔ）が変動すると、ステータ２０８、２１０が協働してバイアスされた膜２０４、２０６を押し引きして、オーディオ信号に対応する音波を生成する。

図３ａ及び図３ｂに、本発明に係る静電トランスデューサ３００の第二の実施形態を示す。静電トランスデューサ３００は、バイアス構成３１２と共に、膜３０４、３０６及びステータ３０８、３０９、３１０（孔３１４、３１５を有する）の層状構成を備える。図３ａは、層状構成の概略断面図を示す。図３ｂは、層状構成の概略斜視図を示す。図３ａ及び３ｂは、縮尺通りではない。

この実施形態の第一及び第二の膜３０４、３０６ならびに第一及び第二のステータ３０８、３１０は、第一及び第二の膜３０４、３０６を第一及び第二のステータ３０８、３１０に対してそれぞれ離間した関係で保持する第一及び第二のスペーサ３１６、３１８に接合されることを含めて、第一の実施形態の膜２０４、２０６及びステータ２０８、２１０と同じ構造を有する。しかしながら、この実施形態では、第三のステータ３０９が、第一の膜３０４と第二の膜３０６との間に設けられる。第三のステータ３０９は、第一及び第二のステータ３０８、３１０と同じ構造を有し、すなわち、その中に孔のアレイを有する金属シートである。

第一及び第二の膜３０４、３０６の間の単一の第三のスペーサに代えて、第三及び第四のスペーサ３２２、３２４が存在する。第三及び第四のスペーサ３２２、３２４は、図２ｃに示されるものと同様の形状を有し、切れ目のない周縁及び中央の孔を含む。第三のスペーサ３２２は、第一の膜３０４と第三のステータ３０９との間に配置され、第一の膜３０４及び第三のステータ３０９の全周に亘って接合されている。第四のスペーサ３２４は、第二の膜３０６と第三のステータ３０９との間に配置され、第二の膜３０６及び第三のステータ３０９の全周に亘って接合されている。第一及び第二の膜３０４、３０６は、第三及び第四のスペーサ３２２、３２４及び第三のステータ３０９の周囲とともに、第一及び第二の膜３０４、３０６の間のある空気３２６の塊を囲い、すなわち、空気の塊は、いかなる隙間もなく、すべての側で取り囲まれる。図３ａから、空気の塊は、第三のスペーサ３０９の孔３１５を介して音響的に接続された二つの領域３２８、３３０を含むことが分かる。

この例では、膜間の間隔は２ｍｍであり、第三のステータ３０９は、各膜３０４、３０６から等距離にあるが、他の間隔も可能である。

図３ａ及び３ｂの例示的な実施形態では、第一及び第二の膜３０４、３０６は互いに電気的に絶縁され、バイアス装置３１２は、それぞれ、第一の膜３０４、第三のステータ３０９、及び第二の膜３１０に直流バイアスＶ_ａ、Ｖ_ｂ、及びＶ_ｃを供給する。バイアス装置３１２はまた、第一及び第二のステータ３０８、３１０に変動電圧を供給する。第一及び第二のステータ３０８、３１０のそれぞれに供給される電圧は、バイアスオフセット（第一のステータ３０８についてはＶ_１及び第二のステータ３１０についてはＶ_２）及び再生されるオーディオ信号に対応する変動成分Ｖ（ｔ）を含む。変動成分は、各ステータ３０８、３１０に対して反対の極性を有しており、これにより電圧Ｖ（ｔ）が変動すると、三つのステータ３０８、３０９、３１０が協働してバイアスされた膜３０４、３０６を押し引きして、オーディオ信号に対応する音波を生成する。

印加電圧に応じて膜が振動すると、封入された空気３２６の塊は、第一の実施形態を参照して上述した利点、すなわち、トランスデューサ応答における低周波を増強し、高周波数を減衰させるのに役立つ。

図３ａ及び３ｂの例では、第一及び第二の膜３０４、３０６は、図２ａ及び２ｂを参照して上述した膜２０４、２０６と同じ構造及び構成を有し、すなわち、これらは、互いに同じ材料から形成され、同じ寸法を有するが、異なる引張応力で層状構成に取り付けられるため、第一の膜３０４は、第二の膜３０６よりも高い有効コンプライアンスを有する。

上述のように、異なる有効コンプライアンスを有する二つの膜を設けることは、同じ有効コンプライアンスを有する二つの膜と比較して、トランスデューサの周波数応答を変化させる。共振特性は膜の有効コンプライアンスに依存するため、異なる有効コンプライアンスを有する二つの膜を設けると、両方の膜の共振特性が単一の周波数応答に組み合わせられ、これは、一般に、単一の膜を有する、または同じ有効コンプライアンスを有する二つの膜を有するトランスデューサの周波数応答よりも平坦である。

さらに、上述のように、間に封入された空気の塊を有する二つの膜を設けることによって、膜の音響インピーダンスが変更され、複合振動要素としてこれらは低周波で高い有効質量を有し、高周波での減衰が増大する。これにより、トランスデューサの周波数応答において高周波が平坦化される一方で低周波が強化され、全体的に平坦な周波数応答が得られる。

図４ａ及び４ｂは、既知の構成と比較した、上記の図２ａ、２ｂ、３ａ及び３ｂを参照して説明したようなトランスデューサの周波数応答で観察される典型的な変化を、例示的に示す。

図４ａは、単一の膜で製造された二つのトランスデューサの周波数応答４００、４０２の例示的な概略図を示し、各トランスデューサの膜は、異なる有効コンプライアンスを有する。図４ａでは、各トランスデューサは、低周波数では比較的低い応答、共振ピーク４０４、４０６（膜コンプライアンスに依存する）を有し、ピークの後、周波数とともに徐々に増加することが分かる。より高い有効コンプライアンスを有する膜の周波数応答４０２は、より低い有効コンプライアンスを有する膜の周波数応答４００の共振ピーク４０４に対して、周波数が下方にシフトされた共振ピーク４０６を有する。

図４ｂは、一塊の空気を封入するための密閉を伴わない、膜が同じコンプライアンスを有する二膜トランスデューサの周波数応答（点線４０８）、並びに上記の図２ａ、２ｂ、３ａ及び３ｂを参照して説明したような、密閉及び異なる膜有効コンプライアンス有する二膜トランスデューサの周波数応答（実線４１０）の、例示的な概略図を示している。

図４ｂから、このような二つの異なる膜が一つのトランスデューサに設けられる場合、二つの異なる共振ピークの組み合わせが、全体的に周波数応答を平坦化することが分かる。また、同じトランスデューサ内に二つの膜を設け、それらの間に封入された空気の塊を備えることにより、さらなる平坦化が、低周波を強化し、高周波数を減衰させることによってもたらされることが分かる。トランスデューサがオーディオ信号をより高い忠実度で再生するため、より平坦な周波数応答が望ましい。

二つの実施形態のみが説明されたが、これらの実施形態は単なる例示的なものであり、特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲を限定するものではないことが理解されよう。

Claims (16)

1. 静電トランスデューサであって、
   第一及び第二の可撓性導電膜と、
   第一及び第二の導電性ステータと
   を備え、
   前記膜及び前記ステータが、前記ステータ間に前記膜があり、前記第一の膜と前記第二の膜との間に密閉された封入された空気の塊を有する、層状構成で組み立てられており、
   前記静電トランスデューサが、使用時に前記膜と前記ステータとの間に静電気力を生じさせて前記膜の前記ステータに対する動きを起こさせる電位を印加するように構成される、静電トランスデューサ。
2. 前記第一及び第二の膜が、これらの間に位置するスペーサ又はスペーサ構造と共に前記トランスデューサ内に取り付けられ、 前記第一及び第二の膜が、前記スペーサ又はスペーサ構造と共に前記空気の塊を封入する、請求項１に記載の静電トランスデューサ。
3. 前記トランスデューサが、前記膜の間に密閉された複数の空気の塊を含む、請求項１または２に記載の静電トランスデューサ。
4. 前記第一の膜と前記第二の膜との間に介在要素が存在しない、請求項１、２または３に記載の静電トランスデューサ。
5. 前記第一の膜と前記第二の膜との間の間隔が少なくとも５μｍである、請求項４に記載の静電トランスデューサ。
6. 前記第一及び第二の膜が電気的に結合される、請求項４または５に記載の静電トランスデューサ。
7. 前記トランスデューサが、前記第一のステータと前記第二のステータとの間に一つまたは複数のさらなる膜をさらに備える、請求項１から６のいずれかに記載の静電トランスデューサ。
8. 前記第一の膜と前記第二の膜との間に、さらなる導電性ステータが設けられている、請求項１、２または３に記載の静電トランスデューサ。
9. 前記第一の膜と前記第二の膜との間の間隔が、少なくとも２０μｍである、請求項８に記載の静電トランスデューサ。
10. 前記さらなるステータが、空気が通過することを可能にする穿孔を備える、請求項８または９に記載の静電トランスデューサ。
11. 前記さらなるステータが、それぞれ第一及び第二のスペーサによって前記第一及び第二の膜のそれぞれから分離されており、 前記第一及び第二のスペーサが、前記さらなるステータならびに前記第一及び第二の膜に接合され、前記膜、前記第一及び第二のスペーサ、ならびに前記さらなるステータの接合部分が、ともに前記空気の塊を封入する、請求項８、９または１０に記載の静電トランスデューサ。
12. 前記膜が互いに電気的に絶縁されている、請求項８から１１のいずれかに記載の静電トランスデューサ。
13. 前記トランスデューサが、Ｎ個のステータ及びＮ－１個の膜を備え、Ｎは少なくとも４であり、前記ステータ及び膜が、前記第一及び第二のステータが最も外側にある交互の層状構成で配置される、請求項８から１２のいずれかに記載の静電トランスデューサ。
14. 前記第一のステータ、前記第二のステータ、及び/または前記さらなるステータが、前記膜に面する一つまたは複数の表面上に絶縁コーティングを備える、請求項１から１３のいずれかに記載の静電トランスデューサ。
15. 前記第一及び第二の可撓性導電膜は、それぞれ第一及び第二の有効コンプライアンスを有し、前記第一の有効コンプライアンスは、前記第二の有効コンプライアンスよりも少なくとも１０%大きい、請求項１から１４のいずれかに記載の静電トランスデューサ。
16. 静電トランスデューサの製造方法であって、
    第一及び第二の可撓性導電膜、並びに第一及び第二の導電性ステータを提供するステップと、
    前記第一及び第二の可撓性導電膜と前記第一及び第二のステータとを、前記ステータの間に前記膜があり、前記第一と前記第二の膜の間に密閉された封入された空気の塊を有する、層状構成で組み立てるステップと、
    使用時に前記膜と前記ステータとの間に静電気力を生じさせて前記膜の前記ステータに対する動きを起こさせる電位を印加するように、前記静電トランスデューサを構成するステップと、
    を含む、製造方法。

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