受話回路(ヘッドフォンやイヤフォン)

受話回路は基本的には受話器だけで、検波回路によって高周波電流から分離された音声信号を実際に耳に聞こえるようにする部分です。受話器にはヘッドフォンとイヤフォンがあります。

ヘッドフォン

ヘッドフォンの外観は現代のものと似ていますが、スピーカーなどを鳴らすほどの力のない1球式(真空管)ラジオに使用されるためにとても高感度につくられていました。 1875年にアメリカのベル Alexander Graham BELL (1847-1922)によって発明され、やがて電話の交換手の両手を自由にするため頭に乗せる受話器として改良された時計型受話器を原型としています。

JOAKの本放送が始まった大正14年当時のヘッドフォン付き鉱石ラジオ。

JOAKの本放送が始まった1925年頃のヘッドフォン付き鉱石ラジオ。

精度高く作られた当時のヘッドフォンは「素人には決して工作できない」と本にでてきますし、「初心者には片耳式で充分」と言うようにとでも高価でもありました。当時の雑誌の記事にも「鉱石ラジオは作ってみたが、受話器が高くて放送はまだ聞いていない」といったものを見かけます。

鉱石ラジオや1球式ラジオが全盛のころに最も多く作られ普及しましたが、鉱石ラジオ本体よりも高価なものだったようです。

両耳式ヘッドフォンのいろいろ

両耳式ヘッドフォンのいろいろ

ヘッドフォンの受話部分の中の状態

ヘッドフォン受話部分の中の状態

代表的なヘッドフォンの構造です。エボナイトでできたケースとその中に永久磁石、極片と呼ばれる軟鉄製の鉄芯にコイル、それに薄い鉄板製の振動板から成り立っていました。

代表的なヘッドフォンの構造です。エボナイトでできたケースとその中に永久磁石、極片と呼ばれる軟鉄製の鉄芯にコイル、それに薄い鉄板製の振動板から成り立っていました。それぞれの部品は感度を上げるためにいろいろ工夫がしてありました。永久磁石は永磁性を失わないようにタングステン綱やクローム綱を用い、振動板はスタローイ綱板にクロームのメッキをし、コイルは0.05~0.08 mmのとても細い絹巻き銅線によって6000~ 20000回くらい巻かれてありました。 これらは当時では高度な技術であったと思われます。

作動原理は、永久磁石によって磁化された鉄芯が0.2mm前後の空隙(ギャップ)をへだててうすい鉄板を常に引きつけています。やがてコイルに音声信号が入ってくると電磁石の原理でコイルには交番する強弱を伴った磁力が発生し、振動板を振動させ、それが音として聞こえるようになるのです。

1、振動板は常に永久磁石の力でほんのすこしのギャップを開けて引きつけられている。 2、コイルに交流電流が流れると電磁石の原理でコイルの鉄芯に微弱に変化する磁力が発生する。 3、2で発生した磁力が永久磁石の磁力を強めたり弱めたりすることで、引きつけられていた振動板が振動子、音が発生する。

1、振動板は常に永久磁石の力でほんのすこしのギャップを開けて引きつけられている。
2、コイルに交流電流が流れると電磁石の原理でコイルの鉄芯に微弱に変化する磁力が発生する。
3、2で発生した磁力が永久磁石の磁力を強めたり弱めたりすることで、引きつけられていた振動板が振動子、音が発生する。

振動板の厚さは普通0.1mm程度で、薄ければ薄いほど感度はよくなりますが、あまり薄いと周波数特性が悪くなり、音がよくなくなります。また固有振動数を音声の周波数より高くしないと、ビリビリしたりキンキンと共振してしまう音域ができてよくありません。またゴムの輪をパッキングにすることで共振を起こさないように工夫されていて、直径はだいたい5cmくらいです。

コイルは直流抵抗でおよそ1~ 2 kΩ くらいで(テスターなどではかる場合)、インピーダンス(Z:交流における周波数によって変化する抵抗分)は1kHzで10~ 40 kΩ くらいです。インダクタンス(L)は0.5~ 3Hくらいです。

またこのヘッドフォンには別の構造をもったものもいくつかあり、例としてはバランスドアーマチェア型とかマグネチックコーン型と呼ばれるもの(ヴォールドウィンマイカ受話器など)があります。

下が一般的なヘッドフォン、上がヴォールドウィンマイカ受話器です。

下が一般的なヘッドフォン、上がヴォールドウィンマイカ受話器です。

永久磁石の磁極(N、S極)の間にコイルを置いて、さらにその中に軟鉄片を、その中心のところを支点としその一端をレバー(ビヴォット)として、マイカでできた振動板を動かすことで音に変えるというものです。このタイプを測定してみると以下のようなスペックになりました。 R=693Ω 、 Z=29 3kΩ (l kHz)、L=1.48H またどのタイプにおいても、両耳式と片耳式がありました。

永久磁石の磁極(N、S極)の間にコイルを置いて、さらにその中に軟鉄片を、その中心のところを支点としその一端をレバー(ビヴォット)として、マイカでできた振動板を動かすことで音に変えるというものです。このタイプを測定してみると以下のようなスペックになりました。 R=693Ω 、 Z=29 3kΩ (l kHz)、L=1.48H
またどのタイプにおいても、両耳式と片耳式がありました。

イヤフォン

イヤフォンにはクリスタル式とマグネチック式があります。マグネチック式はヘッドフォンと構造が似ていて、インピーダンスが8Ω とか16Ω とひくく、もっと電力がないと鳴らすことが出来ないものが多いので、鉱石ラジオには向きません。

クリスタル式は価格的にも感度的にも、そしてクリスタルを用いるところなどもまさに鉱石ラジオ(クリスタルセット)にはぴったりのものでしょう。

ただ実際は、戦後になって鉱石ラジオがゲルマラジオに置き変わったころにヘッドフォンがクリスタルイヤフォンに置き変わっていったので、ちょっとすれ違いの感じです。このクリスタルイヤフォンも残念ながら最近では日本で生産されていないと思いますが、ジャンク屋や古い電気屋さんにきいてみるとけっこう手に入るはずです。

構造はこのようになっていますが、これはロッシェル塩Rochelle saltと呼ばれる結晶を使っています。

構造はこのようになっていますが、これはロッシェル塩Rochelle saltと呼ばれる結晶を使っています。

ロッシェル塩は酒石酸ナトリウムカリウム四水和物

(Potassium Sodium Tartrate Tetrahydrate 2NaKC4H406・4H20)で、酒石酸を中心とした水和化合物です。酒石酸は天然のブドウやその他の果実中に存在してワインを醸造する過程等で作られ、昔のサイダーやラムネの味付けにも使われた清涼感のあるすっぱい味のものです。

ロッシェル塩は1672年、フランスのロッシェルという町の薬剤師セニェットSEIGNETTEがワインを作る際に副産物としてできる酒石を原料にして精製して利尿効果のある家伝の秘薬として発売したものです。地名からロッシェル塩、あるいは創製者の彼の名前からセニェット塩とも呼ばれ、無色透明の斜方晶系半面像晶族(Rhompic-hemi-hedral class)に属する粒状結晶です。

このロッシェル塩にはピエゾ圧電気効果piezo-electric effectというおもしろい性質があります。これは水晶、 トルマリン、リチア電気石などにもあり、1880年にキュリー兄弟Paul Jacques CURIE(1855-1941)、Pierre CURIE(1859-1906)によって発見されました。

上記の結晶に機械的に圧力を加えるとある方向に電気(起電力)を発生させるというもので、 トルマリンなどが電気石と呼ばれるのはそのためです。そしてその逆に結晶に対してある方向に電圧を印加すると機械的に歪むことを、 翌1881年に同じフランスのリップマンGabriel LIPPMANN(18451921)が発見しました。これをピエゾ圧電気逆効果converse piezo- electric effectと言い、クリスタルイヤフォンはこの性質を利用しているのです。水晶は高い周波数で発振できるので水晶振動子としてクォーツ時計などに使われ、低い周波数でも最も大きく振動するこのロッシェル塩の結晶がクリスタルイヤフォンに使われています。

クリスタルイヤフォンの構造イヤフォンの構造についてもう少し説明すると、内部に入っているロッシェル塩の結晶は1cmヘーホーくらいのものを厚さ0.3 mmほどにスライスして、2枚を電極をはさむように接着してあります。このようにクリスタルイヤフォンはコンデンサーと同じ構造なので、検波回路で並列につなぐコンデンサーが必要ない場合が あると説明したのはこのためです。

またこのクリスタルイヤフォンは弱く、直流の電圧がかかるとこわれることもあるので、並列に抵抗(500 kΩ ~ 1MΩ )を入れたりします。

ロッシェル塩は音声信号によって振動して、さお(レバー)と呼ばれる支持体によってアルミの薄い0.1mmほどのコーン状の振動板を動かして発音する仕組みになっています。直流抵抗Rはもちろんコンデンサーと同じではぼ無限大、インピーダンスZは100 kΩ~ 5MΩ (メグオーム)くらいです。

市販されていたクリスタルイヤフォンも後期のものは、ロッシェル塩のかわりにチタン酸バリウムを用いて作ったピエゾ圧電素子を使っているようです。

イヤフォンの中の構造

近年のイヤフォンの構造

ロッシェル塩については人工結晶を作るでもご紹介しております。

*この記事は、小林健二著「ぼくらの鉱石ラジオ(筑摩書房)」より抜粋編集しております。

KENJI KOBAYASHI

 

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