JP2009543512A - 高周波振動板とボイスコイルの集成体 - Google Patents

Abstract

高周波駆動ユニットは、ボイスコイル／振動板集成体内にドーム形振動板を含んでいる。ボイスコイル／振動板集成体は、可聴周波数スペクトルの、異なる部分を再生するようにされた複数駆動ユニットを備えた複合スピーカ内に使用するのに特に適している。該駆動ユニットは同軸線的に構成されている。本発明によるボイスコイル／振動板集成体は、振動板ドーム内周部を形成する円形の頂部カットアウト部を有している。振動板は、その内周部が、頂部環状懸架部材により支持され、外周部が、半径方向外方へ延びる内側環状懸架部材と、内方へ延びる内側環状懸架部材とによって支持されている。図１ａは公告用である。

Description

本発明は、音響再生用の電気音響コンバータ、特に、スピーカの複数ドーム形高周波駆動ユニットと、可聴周波数スペクトルの、異なる部分を再生するのに適した複数駆動ユニットを有する複合スピーカとに関するものである。該駆動ユニットは同軸線的に構成されている。

可聴周波数スペクトルの大部分を再生するための大半のスピーカシステムの場合、少なくとも２駆動ユニットが使用される。一例が、低周波帯の音響再生に使用されるウーファと、高周波帯に使用されるツィータである。別個の駆動ユニットのボイスコイルが、クロスオーバフィルタネットワークを介して電力増幅器に接続され、該増幅器が、再生される音響を表す電気信号を発生する。クロスオーバフィルタの目的は、各駆動ユニットが再生するように設計された可聴周波数スペクトルに対応する電気信号を各駆動ユニットに送ることである。

フィルタの特性は、ほぼクロスオーバ周波数の場合、中間周波数帯では、ウーファへの出力が周波数の増大につれて次第に減少し、ツィータへの出力が周波数の減少につれて減少するように構成されている。クロスオーバフィルタは、例えば能動又は受動か、デジタル又はアナログのいずれかにすることができる。良好に音響を再生させるには、フィルタ特性を駆動ユニットの特性と注意深く整合させなければならない。スピーカシステムは、３つ以上の駆動ユニットを有することができる。１ツィータ、１中間レンジウーファ、１ウーファを有する３方向システムが、一般的なスピーカ構成である。整合クロスオーバフィルタは、電気信号を、特徴的な２クロスオーバ周波数と２中間周波数帯とを有する複数駆動ユニットに分配する。

駆動ユニットの各々から放射される音響は、見掛け音源又は前記ユニットの音響中心から発せられると言っていい。音響中心の位置は、特定駆動ユニットの設計のさい、通常、音響測定によって決定できる。加えて、音響中心の絶対位置は、放射される音響の周波数に応じて決定できる。例えば既述の普通の２ウエイ・システムや３ウエイ・システムで別個のスピーカ駆動ユニットが使用される場合、音響中心は互いに物理的に変位されよう。駆動ユニットは、通常、共通のバッフルに取付けられるので、駆動ユニットの音響中心は、共通の平面内に位置するが、バッフル平面内では垂直方向にずらされている。

聴者が、スピーカ駆動ユニットのほぼ軸線上に位置し、かつ双方の駆動ユニットの音響中心からほぼ等距離に位置する場合、２つの駆動ユニットからの出力の目標バランスを得ることができる。しかし、聴者の位置が等距離位置から移動した場合、聴者と双方のスピーカ駆動ユニットの音響中心との距離は異なることになり、このため、聴者は、２つの駆動ユニットにより作られる中間周波数帯の音響を、異なる時間に受け取ることになる。受け取る音響のこの時間差の結果、聴取位置で受け取る音響間に位相差が生じる。２つの駆動ユニットからの音響は、単数又は複数の中間帯で、もはや意図されるようには合計されず、受け取る合成音響が歪むことになる。

特に関係のある領域は、例えば講堂、公会堂、コンサート・ホール等での公演（ＰＡ）である。現代の建物は、部屋自体が事実上音を消すように構成されている。したがって、妥当なレベルにスピーカの数を維持するには、スピーカ・システムには、幾つかの高効率のスピーカ（高Ｑスピーカ）が含まねばならないだろう。高Ｑスピーカは、一般に使用されている。より問題なのは、音響的に複合的な、多くの場合、音を消すように構成されていない比較的古い建物、例えば教会、劇場、コンサート・ホール等で音響が増幅されることである。これらの反響する建物は、しばしば人声又は楽器の音波を壁や天井に反射し、増幅する構造になっている。このような環境内で、異なる駆動ユニット間に位相差を生じる従来式のスピーカが使用されると、各反射で位相差が倍増する。その場合、音響は、おびただしい反射の後に著しく歪められて聴者に到達する。他方、無音に近い環境が得られるようにホールを制振する措置は、大抵の場合、魅力的な解決にはならない。なぜなら、例えば教会の音響的性格は、この種の建築物での音響経験の重要な一部と見なされるからである。

駆動ユニットの音響中心が移動することによる不都合な影響を克服するために、幾つかの試みがなされてきた。公知の一形式によれば、低周波と高周波のスピーカ駆動ユニットを組み合わせ、単一の複合同軸線構造が形成される。複合同軸線スピーカ駆動ユニットは、磁気構造物と相互作用するボイスコイルによって駆動される概して円錐形の低周波振動板から成り、該磁気構造物はボイスコイルを貫通して延びる中心ポールを有している。磁気構造物の後方には高周波振動板が配置され、この振動板からの音響出力は、低周波振動板と相互作用する磁気構造物の中心ポールを貫通して同軸線的に延びるホーン構造物によってスピーカ駆動ユニットの前面に向けられている。このため、低周波音響と高周波音響の双方が、複合スピーカ駆動ユニットから概して前方へ向けられている。このスピーカ構成の同軸線形式では、高低周波の見掛け音源の垂直方向又は水平方向のずれは存在しない。

しかし、低周波振動板がスピーカ駆動ユニットの前方に配置されるのに対し、高周波振動板は該ユニット後方に配置される結果、駆動ユニットの軸線方向で音響中心が相対変位することで、高・低周波振動板から聴者への音響の到着に、不都合な時間差が生じる。より近時の試みは、例えば米国特許第４，４９２，８２６号及び第４，５５２，２４２号に見られ、これらの特許では、少なくとも１つの小型のスピーカが、大型スピーカの上方に同軸線的に配置されている。しかし、いずれの特許も、駆動ユニットの軸線方向での音響中心の相対変位を有する既述の構成の欠点を、無視できない程度、共有している。

米国特許第５，５４８，６５７号には、３つのすべての次元で音響中心が合致する高・低周波ユニットを備えた複合スピーカ駆動ユニットが開示され、市販されている。小型だが、従来形式のツィータが、ウーファの中心ポールに設けられた凹部内に配置されている。ツィータの小型化により、その効率は制限を受けよう（妥当な効率レベルを達成するには、例えば強磁性流体による複雑かつ高価な冷却方法が必要である）。既述の構成より優れているとはいえ、この複合スピーカ駆動ユニットも、多様な反響環境で使用するには適さない位相差を生じさせる。加えて、米国特許第５，５４８，６５７号は、２駆動ユニットを有する複合スピーカに限定されており、３つ以上の駆動ユニットが必要な場合には適用できない。

米国特許第６９１，２２９，２号には、同軸線かつ共面の複合駆動ユニットが開示されている。半径方向に延びる磁化方向を有する永久磁石を備えた磁気回路構成により、小型ツィータが不要になっている。事実、開示された設計により、駆動ユニットは、高周波、低周波いずれの部分でも極めて高効率である。本発明と同一発明者及び同一出願人による米国特許６９１，２２９，２号は、ここに引用することで、本明細書に取り入れられるものである。

しばしばツィータと呼ばれる高周波駆動ユニットは、極めて様々に利用可能である。現在、普通、使用されているツィータは、大きく３つの部類に分類できる。すなわち、ドーム形ツィータ、高周波圧縮駆動装置、リボン・ツィータである。ドーム形ツィータは、通常、数センチメートル直径のドーム形振動板を有している。ドームには、縁部にボイスコイルが取付けられている。ドームは、制振材料、例えば絹又は極端に軽量かつ剛性の材料、例えばチタン等で作られている。良好な設計のドーム形ツィータは、２，０００〜２０，０００Ｈｚの範囲で音響を良好な精度で再生できる。

しかし、ドーム形ツィータは、通常、低効率（Ｑ値）であり、高負荷に敏感である。軟質ドームが使用される場合には、制御不能の振動が生じ、剛性ドームが使用される場合には、音が鳴り響く。新規な永久磁石材料、例えばネオジム‐鉄‐ホウ素と、米国特許第６９１，２２９，２号に開示された新規設計の磁気回路とが、高効率のドーム形ツィータの可能性を開いている。しかし、前記問題により高負荷に敏感なため、高レベルの音響が要求される用途に新規磁性材料及び磁気回路設計よって得られる利点の完全利用が妨げられる。

低効率のドーム形ツィータに対処する試みが幾つかなされてきた。１つの方策は、ツィータを、駆動ユニットの高い音響インピーダンスが空気の低インピーダンスによりよく結合されるホーンと組み合わせることである。圧縮型のホーン・ツィータは高効率を有するが、通常、音響再生の精度は犠牲にされる。
リボン・ツィータ又はバンド・ツィータは、再生精度の品質を保持して高レベルの音響を放射できる。高品質のリボン・ツィータは高価である。重要な点は、音響を発する細長金属リボンを採用した結果の細長設計では、実際には、既述の有利な同軸線共面複合駆動ユニットと組み合わせることが不可能な点である。

本発明の目的は、同軸線上に位置し好ましくは同平面内にも位置する複数音響中心を備えた複合駆動ユニット内に使用可能な、高い効率の高周波駆動ユニット又はツィータを得ることによって、先行技術の欠点を克服することである。

前記目的は、特許請求の範囲第１項に定義された高周波駆動ユニットにより達成された。
本発明によるスピーカ駆動ユニットは、高周波音響再生に適し、ドーム形振動板と支持構造物とを含んでいる。振動板は、その外周部がボイスコイルに接続され、ドーム内周部を形成する頂部円形カットアウト部を有している。振動板は、内周部が頂部環状懸架部材に懸架され、外周部は、半径方向外方へ延びる外側環状懸架部材と、内方へ延びる環状懸架部材とによって懸架されている。

本発明による振動板構成により、ドームの精密な制御が確実に行われる。振動は良好に制御され、通常、軟質ドームに関わる問題である定在波は効果的に消去される。したがって、駆動ユニットは、歪みが極めて小さい音響再生を容易にする能力を有している。同時に、懸架部材により、振動板の運動を十分に大きくすることができ、それによって妥当な入力電力での、すなわち高効率での高レベル音響を放射できる。
本発明により得られる１つの利点は、駆動ユニットが、複合同軸線スピーカ、特に複合同軸線・同平面スピーカ内に使用するのに好適な点である。
別の利点は、振動板、ボイスコイル、支持構造物が、容易に駆動ユニットの磁気回路から取外し可能な、別々のユニットとして構成できる点である。

従属請求項には、本発明の複数実施例が定義されている。本発明のこのほかの目的、利点、新規な特徴は、以下の本発明の詳細な説明を添付図面及び請求項と関連して考察すれば、明らかになろう。

以下で図面を参照して本発明を詳細に説明する。
本発明による磁気回路及び振動板構成の断面図。 本発明による振動板構成の平面図。 ３ウエイスピーカ複合駆動ユニット内に、本発明による振動板構成を使用した場合の略示図。 ３ウエイスピーカ複合駆動ユニット内に、本発明による振動板構成を使用した場合の略示図。

本発明の第１実施例を、図１ａ及び図１ｄを参照して説明する。本発明による高周波駆動ユニットは、ボイスコイル／振動板の集成体１００と、磁気回路集成体１５０とを含んでいる。米国特許第６９１，２２９，２号の原理に従って、２つの主要部分、すなわちボイスコイル／振動板集成体１０５と磁気回路集成体１５０とは別個のモジュールであり、ボイスコイル／振動板集成体１０５は、磁気回路集成体１５０に着脱可能の自己支持モジュールである。

ボイスコイル／振動板集成体１００は、振動板１０５と、ボイスコイル１１０と、支持構造物１１５とを含んでいる。支持構造物１１５は、ボイスコイルと振動板との集成体１００の外周縁を形成する環状部１１６を含み、磁気回路集成体１５０のハウジング１６０と協働するように構成されている。支持構造物１１５は、好ましくは導波路又はホーンとして役立つように形成されている。このことは、ボイスコイル１１０からの距離が増すにつれて直径が増大する環状部１１６によって示唆されている。環状部１１６からは、ボイスコイル／振動板集成体１００の中心方向へ、少なくとも１つの、好ましくは２つ以上の半径方向ガーダー１１７が延びている。ガーダー１１７は中心片１１８で終わっている。ガーダー１１７は、音波の伝搬が阻害されないように、周方向に比較的薄手で、通常、好ましくは＜５ｍｍである。ガーダー１１７は、十分な機械的安定性を保つために、駆動ユニット中心軸線方向に、通常、好ましくは１０〜２０ｍｍ延在させることができる。

図示のように、中心片は、ボイスコイル／振動板集成体１００の組み立て／組み外しを容易にするために複数部分で形成できる。円筒形の下部中心片１１９は、中心片１１８に例えばボルト１１９により結合できる。あるいはまた、中心片１１８は、単一ユニットとして形成されるか、又は複数部分を永久結合することで形成される。振動板１０５は、事実上ドーム形状であり、中心片１１８に対応する円形の中心カットアウト部を備えている。外周部の直径は、内周部の直径の約２〜５倍にすべきである。特に好ましい成績は次の関係式によって達せられる：
φ_{ｏｕｔｅｒ}／π＝φ_{ｉｎｎｅｒ} 方程式１
この式において、φ_{ｏｕｔｅｒ}は外周部の直径であり、φ_{ｉｎｎｅｒ}は内周部の直径である。

外側リムのところで、振動板はボイスコイル１１０に結合されている。振動板とボイスコイル１１０とのほぼ結合部のところに、振動板１０５から環状部１１６まで延びる外側環状懸架部材１２０が設けられ、これにより振動板が支持され、かつ直接にボイスコイルをポールの間隙内に保持される。ボイスコイル１１０の巻線は電気端子１３０で終端し、該端子を介して給電される。内側に、好ましくは外側環状懸架部材１２０の位置に対応する位置に、内側環状懸架部材１２１が設けられている。内側環状懸架部材１２１は、振動板１０５のリムから中心片１１８の下部へ延びている。内側環状懸架部材１２１は、また振動板１０５に隣接してフレキシブルな部分１２２を有し、中心片１１８に取付けられる第２のフレキシブルな部分１２３を備えている。これらの部分間の、内側環状懸架部材の大部分は比較的剛性である。振動板１０５の中心カットアウト部は、頂部の環状懸架部材１２４を介して中心片１１８の上部に取付けられている。

これら３つの懸架部材、すなわち外側環状懸架部材１２０、内側環状懸架部材１２１、頂部の環状懸架部材１２４により、ドームは確実に精密制御される。振動は、良好に制御され、通常、軟質ドームに係わる問題である定在波は効果的に消去される。したがって、ボイスコイル／振動板集成体１００は、極めて低い歪みで容易に音響再生する能力を備えている。同時に、各懸架部材によって振動板に十分な大きさの運動が許容され、それによって妥当な入力で、つまり高効率で高レベルの音響が放射される。支持構造物に適した材料はプラスチック又は金属である。振動板は、好ましくは半剛性材料製、例えば強化布地製又は軽量で薄手の金属製である。懸架部材のフレキシブルな部分は、フレキシブルな又は成形可能なゴム状材料、例えばシリコーン又はウレタンで作るのが好ましい。あるいはまた、フレキシブルな部分は、振動板と等しい材料で作り、共鳴を防止するために、例えばシリコーン又はウレタンの成形品で被覆する。いま挙げた材料は市販されており、当業者には周知のものである。当業者は、また前記材料を、スピーカに使用される他の材料に代えることもできよう。

本発明によるボイスコイル／振動板集成体１００は、磁気回路集成体１５０と係合かつ相互作用するようにされている。磁気回路集成体１５０は、また内側と外側のポール片１５５，１５６と永久磁石１５７とを囲むハウジング１６０を含んでいる。ハウジング１６０は、ボイスコイル／振動板集成体１００を案内して精確に位置決めできるように構成されている。ポール片１５５，１５６にはポール間隙１５８が形成され、該間隙がボイスコイル／振動板集成体１００のボイスコイル１１０を受容するようにされている。磁気回路集成体１５０は、ボイスコイル／振動板集成体１００の電気端子１３０と符合する電気端子１７０を備えている。

本発明の一実施例によれば、ボイスコイル１０５の電気接続用端子１３０が、ボイスコイル／振動板集成体１００の中心に配置され、しかも中心片１１８の下方に、中心片によって保持されている。該電気端子は、内側環状懸架部材１２１によって画成される平面下に延び、磁気回路内に形成された凹状の電気端子と相互接続されるようになっている。あるいはまた、電気端子１３０は、中心片１１８のカットアウト部内を上方へ延びるようにすることもでき、その場合には、磁気回路集成体１５０に設けられる電気端子の対応部分は、磁気回路の表面から突出するようにする。電気リード線１３１は、ボイスコイル１０５を電気端子１３０に接続している。電気端子１３０及び対応する電気端子１７０は、好ましくは、２つの同軸線ポールコネクタであり、回転に不感であり、１つの中心端子と１つの外側円形端子とを備えている。磁気回路集成体の対応電気端子１７０は、好ましくは内側ポール片１５５の中心孔１６５内に設けられる。中心孔６５には、対応電気端子１７０の外部接続用電気リード線１４５が通されている。

本発明のボイスコイル／振動板集成体１００は、既述の米国特許第６９１，２２９，２号に開示された同平面・同軸線複合スピーカに使用するのに特に適している。この複合駆動ユニットは、高周波駆動ユニットと、少なくとも１つの別の駆動ユニット、すなわち低周波駆動ユニットとを含んでいる。図２ａ及び図２ｂには、低周波駆動ユニット２０５と、中間周波帯域駆動ユニット２１０と、高周波駆動ユニット２１５とを含む複合駆動ユニット２００が示されている。各個の駆動ユニットが、磁気回路集成体とボイスコイル／振動板集成体とを含んでいる。図２ｂに示すように、個々の駆動ユニットは完全に別個のユニットであり、個別に取外し、再取付けが可能である。各ボイスコイル／振動板集成体は、既述の形式で別個のユニットとして各磁気回路から取外し可能である。高周波駆動ユニット２１５は、本発明によるボイスコイル／振動板集成体１００を含んでいる。ボイスコイル／振動板集成体１００は同平面・同軸線構成に順応するのに十分な小ささであり、著しい歪みなしに高レベルの音響を再生できるので、複合駆動ユニットの効率の利点を完全に得ることができる。

以上説明した本発明から、本発明が、種々に変更可能であることが分かるだろう。それらの変更は、本発明の精神及び範囲から逸脱するものとは見なされず、当業者には明らかと思われるそれらすべての変更態様は、特許請求の範囲の枠内に含まれるものである。

Claims (9)

1. 高周波音響再生に適合するスピーカ駆動ユニットであって、該駆動ユニットが、支持構造物（１１５）と、ボイスコイル（１１０）と、ドーム形振動板（１０５）とを含み、該振動板が、その外周部のところでボイスコイルと接続されている形式のものにおいて、
   前記振動板（１０５）が、振動板のドーム内周部を形成する円形の頂部カットアウト部を有し、該振動板の内周部が、頂部環状懸架部材（１２４）により懸架され、外周部が、半径方向外方へ延びる外側環状懸架部材（１２０）と、内方へ延びる内側環状懸架部材（１２１）とにより懸架されていることを特徴とする、スピーカ駆動ユニット。
2. 前記頂部環状懸架部材（１２４）が、支持構造物（１１５）の中心片（１１８）に固定され、該中心片（１１８）が、振動板（１０５）を貫通して少なくとも、内側環状懸架部材（１２１）により画成される平面まで延びている、請求項１記載のスピーカ駆動ユニット。
3. 前記内側環状懸架部材（１２１）が、その内周部のところで支持構造物（１１５）の中心片（１１８）に固定されている、請求項１又は請求項２記載のスピーカ駆動ユニット。
4. 前記中心カットアウト部が、円形であり、振動板外径の少なくとも３分の１以下の直径を有する、請求項１から請求項３までのいずれか１項記載のスピーカ駆動ユニット。
5. 支持構造物（１１５）の中心片（１１８）が、磁気回路（１５０）に向き合うようにされた側に電気端子（１３０）を備え、該電気端子がボイスコイル（１１０）の巻線と接続されている、請求項１から請求項４までのいずれか１項記載のスピーカ駆動ユニット。
6. 前記支持構造物（１１５）が環状部（１１６）を有し、該環状部の外側が、磁気回路集成体のハウジングに密にはめ合わされるように構成されている、請求項１から請求項５までのいずれか１項記載のスピーカ駆動ユニット。
7. 前記支持構造物（１１５）が環状部（１１６）を有し、該環状部の内径が、ボイスコイル（１１０）から遠ざかるにつれて増加する、請求項１から請求項６までのいずれか１項記載のスピーカ駆動ユニット。
8. 支持構造物（１１５）の環状部（１１６）の内側が導波路を形成する、請求項７記載のスピーカ駆動ユニット。
9. 支持構造物（１１５）の環状部（１１６）の内側が音響ホーンを形成する、請求項７記載のスピーカ駆動ユニット。

Images