JP2010245723A - スピーカ - Google Patents

Abstract

【課題】高強度素材や特殊構造を用いることなく、振動板の凹凸を減らし、剛性を増し、再生周波数帯域を広げる。
【解決手段】表面に凹部を有する振動板と、前記振動板の一部の領域で前記振動板の凹部を覆うように配置され、該凹部の高低差を低減する付加振動部と、を備え、前記振動板１７０全体の有効領域の投影面積をＳd、前記付加振動部の投影面積をＳｒ、出力音圧周波数特性において出力音圧が−10dBとなる上限の周波数を上限周波数、とした場合に、１＞Ｓｒ／Ｓd≧１／√10を満たす、ことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はスピーカに関し、特に、再生周波数帯域における上限周波数に配慮されたスピーカに関する。

現在は、スピーカとして、磁場中に電線を配置し電流を流すことで発生するローレンツ力を利用した動電型（ダイナミック型）が最も広く普及している。
一般的な動電型では、上記の電線としてのボイスコイルを駆動して振動板を動かしているため、駆動力が加わるのは振動板全体のうちでボイスコイルが直接接している円周上に限られる。なお、フィルム状の振動板全面に導体をプリントした全面駆動型も存在するが、構造が特殊であり高価であって、一般的ではない。

以上の一般的な動電型スピーカでは駆動部が振動板の一部分に限られるため、振動板について共振や分割振動の影響が出やすくなっており、これらの現象はスピーカの高域再生能力に強く影響する。

振動板に高強度の素材を用いることで共振周波数を上げ、高域再生限界を向上させることは可能であるが、多くの場合素材自体が高価で加工も困難であるという問題がある。また、硬いために割れるなど破損の問題も生じる。

近年ではコーン形状やドーム形状の振動板に加え、駆動部からの距離が短い範囲に限ることで分割振動の影響を低減したリング形状の振動板も見られる。
しかしリング形状では、内外周で固定されるためスティフネスが上昇し最低共振周波数が上昇するため硬い素材は使いにくく、分割振動の観点からは不利なやわらかい素材が用いられることが多い。

なお、以下の特許文献１や特許文献２などでは、ボイスコイルと振動板との接合部の補強によって不要振動を除去して高品質音響再生すべく、振動板の連結平坦部近傍にリングを接着するものが提案されている。

特開2003-348691公報 特開2006-109090公報

以上の特許文献１，２では、ドーム振動板に部品が接合された構造についてしか言及されておらず、エッジとドームを連結する「平坦部」に限られる。
このような補強によってボイスコイルと振動板との接合部分の強度改善に若干の効果はみられるものの、振動板の分割振動を根本的に解決するものではなかった。

また、発明者が研究を進めたところ、振動板の分割振動だけでなく、振動板の高低差によって、振動板から放射される音の位相が異なり、打ち消し合うことが確認された。しかし、振動板の強度を高めたり、分割振動をできるだけ抑えるためには、以上のようなドーム型など凹凸を有する形状の振動板とすることが一般的であった。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであって、高強度素材や特殊構造を用いることなく、出力音圧周波数特性を平坦化することが可能なスピーカを提供することを目的とする。

以上の課題を解決する本発明は、以下に記載するようなものである。
（１）請求項１記載の発明は、表面に凹部を有する振動板と、前記振動板の一部の領域で前記振動板の凹部を覆うように配置され、該凹部の高低差を低減する付加振動部と、を備え、前記振動板全体の有効領域の投影面積をＳd、前記付加振動部の投影面積をＳｒ、前記振動板全体の有効領域の投影面積をＳd、前記付加振動部の投影面積をＳｒ、振動板有効半径をｒe、極座標系に於ける動径をｒ、出力音圧周波数特性において出力音圧が−ＭdBとなる上限の周波数を上限周波数ｆh（この上限周波数ｆhでの波長をλh）、振動板の平面方向の投影面での座標x,y、振動板が振動する方向の測定点からの座標z、付加振動部を含めた振動板表面上の各点の位置を（x,y,z）とした場合に、

を満たす、
ことを特徴とするスピーカである。
（２）請求項２記載の発明は、前記振動板と前記付加振動部との高低差Δについて、前記上限周波数の波長をλhとした場合、０＜Δ≦０．４λｈとなるように、前記付加振動部を配置する、ことを特徴とする請求項１記載のスピーカである。

（３）請求項３記載の発明は、前記付加振動部は、前記振動板に環状に存在する凹部の高低差を低減するため環状に形成されている、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピーカである。

（４）請求項４記載の発明は、前記振動板と前記付加振動部とは、別部品が接合される、ことを特徴とする請求項１−３のいずれか一項に記載のスピーカである。
（５）請求項５記載の発明は、前記付加振動部は、前記前記振動板の凹部に充填剤が充填され、該充填剤が硬化して生成される、ことを特徴とする請求項１−３のいずれか一項に記載のスピーカである。

（６）請求項６記載の発明は、前記付加振動部は、比重が１．５以下の高分子化合物の素材が使用される、ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のスピーカである。
（７）請求項７記載の発明は、前記付加振動部は、発泡金属あるいは発泡高分子化合物が使用される、ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のスピーカである。

（８）請求項８記載の発明は、前記付加振動部は、紙成形品が使用される、ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のスピーカである。

本発明によれば、以下のような効果が得られる。
以上のスピーカの発明では、振動板の一部の領域で振動板の凹部を覆うように、該凹部の高低差を低減する付加振動部を備えているため、振動板のくぼみ効果を低減することができ、出力音圧周波数特性を平坦化することができる。

また、一般に曲げ剛性は厚みの３乗に比例するものであり、振動板の凹部を覆う付加振動部によって振動板の剛性が増すため、共振しにくくなり歪みを低減することができ、共振周波数が上がり高域まで再生可能となる。

この結果、これまで高域再生能力の向上に用いられていた高強度素材や特殊構造など高価格化につながるものを用いずとも、安価な素材でこれらの性能向上を実現できる。
なお、既存のスピーカに対して付加振動部を配置する際に、接着または充填などの工程が加わるのみなので、製造工程が煩雑化しない。

また、振動板に付加振動部が加わることで振動系の重量が増すため、最低共振周波数が下がり、今までより一層低い低域まで再生可能となる。
なお、他のユニットとの組み合わせる際に、高域用のスピーカの能率が高い場合、付加振動部を調整することで能率が下がるため、抵抗等の外部素子に依らず能率を調整することが可能になる。

また、振動板全体有効領域投影面積Ｓd、付加振動部投影面積Ｓｒ、出力音圧が−ＭｄＢとなる周波数を上限周波数とした場合に、所定の数式の条件を満たすように構成することで、所望の上限周波数、−ＭｄＢの音圧で出力することが可能になる。

従って、スピーカにおいて高強度素材や特殊構造を用いることなく、出力音圧周波数特性を平坦化することが可能になる。
また、上限周波数の波長をλhとした場合、０＜Δ≦０．４λｈとなるように付加振動部を設けて振動板に存在する凹部の高低差を低減することで、振動板の高低差によって出力が打ち消しあう状態が低減され、出力音圧周波数特性を平坦化することができる。

本発明の実施形態のスピーカの構成を示す構成図である。 本発明の実施形態のスピーカの構成を示す構成図である。 本発明の実施形態のスピーカの構成を示す構成図である。 本発明の実施形態のスピーカの構成を示す構成図である。 本発明の実施形態のスピーカの構成を示す構成図である。 本発明の実施形態のスピーカの特性を示す特性図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態）を詳細に説明する。
〔第一実施形態〕
〔第一実施形態の構成〕
図１は本発明の第一実施形態のスピーカ１００の構成を示す構成図であり、図１（ａ）（ｂ）はスピーカ１００の正面（振動板の振動放射面）を示す正面図、図１（ｃ）はスピーカ１００の側断面を示す断面図である。

この図１において、振動放射方向に凹状態の略円錐環状のフレーム１１０の中心部分には、振動放射方向に凹状態の有底円筒形状のヨーク１２０が取り付けられている。
そして、ヨーク１２０の中心部分には、振動放射方向および反対方向に着磁された永久磁石１３０が取り付けられている。

さらに、永久磁石１３０のヨーク１２０取り付け面と反対の端部には、円盤状のトッププレート１４０が取り付けられている。
円盤状のトッププレート１４０と、該トッププレート１４０に向かい合うヨーク１２０の内面との間は磁路となっており、該磁路中には円筒状のコイルボビン１５０が配置されている。なお、該コイルボビン１５０の円周面上であって該磁路中に、ボイスコイルが巻回されている。

なお、コイルボビン１５０の一端は振動板１７０に対して接着などによって取り付けられている。ここでは、振動板１７０は、中心部にドーム部を有し、ドーム部の周囲に環状円錐部を有し、該環状円錐部の円周部近傍がエッジ部として動作するよう構成されており、該エッジ部の円周部（環状円錐部の円周部）がフレーム１１０に取り付けられている。

なお、この図１の例では、振動板１７０のドーム部と環状円錐部との接触部分が振動放射方向に対して円環状の凹部となっており、該凹部の裏側（円環状の凸部側）にコイルボビン１５０が取り付けられている。

そして、振動板１７０の一部の領域で凹部を覆うことで、該凹部の高低差を低減する付加振動部１９０が配置されている。
ここで、図２に示すように、振動板１７０の突端部と付加振動部１９０の最大高低差Δについて、上限周波数の波長をλhとした場合、０＜Δ≦０．４λｈとなるように、付加振動部１９０が配置されている。なお、この数式の意味については後述する。

なお、振動板１７０の中心付近のドーム部の突端部と付加振動部１９０との高低差Δ１、周辺部における突端部と付加振動部１９０との高低差Δ２とが考えられるが、Δ１とΔ２とのいずれか大きい方で条件を満たせばよい。

ここで、付加振動部１９０は、振動板１７０に環状に存在する凹部の高低差を低減するため環状に形成されている。また、振動板１７０と付加振動部１９０とは、それぞれ別部品で構成されたものが接合されていてもよい。また、付加振動部１９０は、振動板１７０の凹部に対して、充填剤が充填され、該充填剤が硬化して生成されてもよい。また、付加振動部１９０は、比重が１．５以下の高分子化合物の素材が使用されることが望ましい。また、付加振動部１９０は、発泡金属あるいは発泡高分子化合物が使用されることが望ましい。また、付加振動部１９０は、紙成形品が使用されることも望ましい。

〔第一実施形態の詳細説明〕
ここで、振動板１７０の凹部の一部の領域を覆う付加振動部１９０の大きさや面積について説明する。

この実施形態では、目的とする上限周波数とは、中音域の平均の出力音圧レベルよりＭｄＢ低下する周波数（−ＭｄＢとなる周波数）で定義される。なお、ＪＩＳでは、この−ＭｄＢとして、−１０ｄＢ(音圧で１／√１０)が規定されている。

ここで、スピーカ１００の最低共振周波数ｆ0近くでは、振動板１７０の全体が分割振動などを発生せずにピストンモーションをしていると仮定する。
上述した付加振動部１９０を含めた振動板１７０表面上の各点の位置を（x,y,z）で表す。x,yは図１（ａ）に示す振動板１７０の平面方向（投影面）の座標であり、zは振動板１７０が振動する方向（＝振動板１７０の凹凸の高低差の方向）の測定点からの座標である。

このとき、zが同じとき振動板１７０の中央部と端部から出た音の位相がほぼ揃っている状態になるような音源から十分離れた点（図示せず）での音圧ｐ0は、測定点から見た際の振動板１７０の有効半径内領域の面積（振動板１７０全体有効領域投影面積）をＳd、同じく測定点から見た際の付加振動部１９０の面積（付加振動部投影面積）をＳｒ、最低共振周波数ｆ0での波長λ0、目的とする再生周波数帯域上限（上限周波数ｆh）での波長λh、定数をＣ、とした際に、以下の数式で表せる。

特に、各点におけるｚ／λ0の違いが小さければ、以下の数式で表せる。

これを音圧の基準として考え、再生帯域の上限周波数ｆhでの音圧を、この−ＭｄＢとするような、付加振動部１９０の寸法を考える。
上限周波数ｆhでは、以下の２つの状態の間を取ると考える。すなわち、振動板１７０全体がピストンモーションをしている状態ｍ0、及び、付加振動部１９０のみがピストンモーションを行いその他の部分は分割振動により音の放射に寄与していない状態ｍpである。

このとき上限周波数fhでの状態は、以下のように表現できる。
０≦ｎ≦１とした場合に、
ｎ＊ｍ0＋（１−ｎ）＊ｍp
で表現出来る。

そして、振動板１７０全体がピストンモーションを行えば、音圧は先ほどと同様に、以下の数式で表せる。

また、付加振動部１９０のみがピストンモーションを行う場合には、積分範囲を変えて、以下の式で表せる。

すなわち、以上の数式を整理して、以下の数式で表せる。

更に、以上の数式を整理して、以下の数式で表せる。

従って、以上の数式を満たすように、振動板１７０と付加振動部１９０とを構成することで、上限周波数ｆhにて周波数特性が−ＭｄＢとなる条件を満たすことができる。
さらに、一般的と思われる以下の条件を付与する。

そして、振動板１７０と付加振動部１９０の形状が共に回転体とすれば、振動板有効半径ｒeを用いて以下の数式のように近似できる。但し、ｒは極座標系に於ける動径を示す。

ここで、ｚの差の最大を、振動板１７０の高低差Δ（図２のΔ１またはΔ２のいずれか）のみを規定し、振動板１７０の形状を任意とする。
Δ≧λ／２であれば振動板１７０の全体有効領域投影面積Ｓdについて、Ｓd／２ずつが、λ／２の高低差をもった振動板１７０の形状を仮定すれば、波長λでの音圧は打ち消し合って０となる。ただし、ここでは、Δ≧０とする。

Δ＜λ／２であればＳd／２ずつが、Δの高低差をもった形状が音圧が最も下がる振動板１７０の形状であり、このときの音圧は以下の数式で表せる。

従って常に、以下の数式で表せる。

つまり、以下の数式を満たせば、数式９を左式を満たすことになる。

さらに、以上の式を整理して、Ｍ＝１０とすると、以下の数式で表せる。

つまり、少なくとも振動板１７０の高低差が、目的帯域の上限周波数ｆhの0.4波長におさまれば十分である。
上記ＭをＪＩＳで定められた１０として、上限周波数ｆhを一般的な可聴上限周波数20kHzにおけば、Δ≦6.8mmとなる。

〔第一実施形態の変形例〕
なお、以上の図１と図２とに示した付加振動部１９０は平面であり、ｚ方向に一定であった。これに限られず、図３（ａ）のように、振動板１７０の凹部を埋めた付加振動部１９０は、断面図において表面が凹面になるよう形成し、振動板１７０の凹部の一部を埋めるようにしてもよい。

また、図３（ｂ）のように、振動板１７０の凹部を埋めた付加振動部１９０を、断面図において表面が凸面（盛り上がり形状）になるよう構成して、振動板１７０の凹部の一部を埋めるようにしてもよい。

なお、この図３においても、Δについては、図２と同様に、振動板１７０の突端部と付加振動部１９０の最大高低差をΔとする。すなわち、このような場合、振動板１７０と付加振動部１９０との高低差の最大値を用いて上述したΔの計算を行えばよい。

また、図４（ａ）のように、振動板１７０の凹部を埋めた付加振動部１９０は、断面図において表面が凹凸凹面になるように形成し、振動板１７０の凹部の一部を埋めるようにしてもよい。

また、図４（ｂ）のように、振動板１７０の凹部を埋めた付加振動部１９０は、断面図において表面が凸凹凸面になるように形成し、振動板１７０の凹部の一部を埋めるようにしてもよい。

また、図３や図４以外にも各種の変形が可能であり、ここに図示したものに限定されるものではない。
〔第二実施形態〕
また、図１−図３のような円形の振動板１７０だけではなく、図５（ａ）のようなリング状（環状）の振動板１７０を有するスピーカであってもよい。ここでは、センターポールを有するヨーク１２０と、該センターポールの周囲に配置された環状の永久磁石１３０とを有しており、該センターポール〜永久磁石１３０〜永久磁石１３０上のプレート１４０で磁気回路を構成している。

この場合、図５（ｂ）のように振動板１７０の一部の領域で環状の凹部を埋めるべく環状の付加振動部１９０を配置することで、以上の説明と同様な良好な結果を得られる。この場合も、付加振動部１９０の表面に関して、図３のような変形が可能である。

〔各実施形態における実験結果〕
以上の実施形態を適用したスピーカと同じ型式で付加振動部１９０を備えないスピーカとで、出力音圧周波数特性を測定したところ、図６のような結果を得ることができた。

ここで、付加振動部１９０を備えない従来方式のスピーカでは上限周波数ｆhが６０ｋＨｚ程度であったのに対し、付加振動部１９０を備える本実施形態のスピーカ１００では、上限周波数ｆhが１００ｋＨｚを超える結果が得られた。

これにより、本実施形態により、再生周波数帯域を広げ、上限周波数ｆhで良好な結果を得ることが確認された。
〔各実施形態における変形（１）〕
以上の実施形態における振動板１７０と付加振動部１９０とを、別部品で構成したり、あるいは、振動板に充填剤を充填するのではなく、予め振動板１７０と付加振動部１９０とを一体に構成することも可能である。

〔各実施形態における変形（２）〕
以上の実施形態では、スピーカとして説明してきたが、スピーカ以外の各種アクチュエータのような電気音響変換器として使用することも可能である。また、超音波発生装置として使用することも可能である。

１００ スピーカ
１１０ フレーム
１２０ ヨーク
１３０ 永久磁石
１４０ トッププレート
１５０ コイルボビン
１６０ ボイスコイル
１７０ 振動板
１９０ 付加振動部

Claims (8)

1. 表面に凹部を有する振動板と、
   前記振動板の一部の領域で前記振動板の凹部を覆うように配置され、該凹部の高低差を低減する付加振動部と、
   を備え、
   前記振動板全体の有効領域の投影面積をＳd、前記付加振動部の投影面積をＳｒ、振動板有効半径をｒe、極座標系に於ける動径をｒ、出力音圧周波数特性において出力音圧が−ＭdBとなる上限の周波数を上限周波数ｆh（この上限周波数ｆhでの波長をλh）、振動板の平面方向の投影面での座標x,y、振動板が振動する方向の測定点からの座標z、付加振動部を含めた振動板表面上の各点の位置を（x,y,z）とした場合に、
   

   

   を満たすことを特徴とするスピーカ。
2. 前記振動板と前記付加振動部との高低差Δについて、
   前記上限周波数の波長をλhとした場合、
   ０＜Δ≦０．４λhとなるように、前記付加振動部を配置する、
   ことを特徴とする請求項１記載のスピーカ。
3. 前記付加振動部は、前記振動板に環状に存在する凹部の高低差を低減するため環状に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピーカ。
4. 前記振動板と前記付加振動部とは、別部品が接合される、
   ことを特徴とする請求項１−３のいずれか一項に記載のスピーカ。
5. 前記付加振動部は、前記前記振動板の凹部に充填剤が充填され、該充填剤が硬化して生成される、
   ことを特徴とする請求項１−３のいずれか一項に記載のスピーカ。
6. 前記付加振動部は、比重が１．５以下の高分子化合物の素材が使用される、
   ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のスピーカ。
7. 前記付加振動部は、発泡金属あるいは発泡高分子化合物が使用される、
   ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のスピーカ。
8. 前記付加振動部は、紙成形品が使用される、
   ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のスピーカ。

Images