JP2011035681A - 磁気結合型スピーカ - Google Patents

Abstract

【課題】 新規な「磁気結合型スピーカ」を提供する。
【解決手段】 本発明のスピーカ１００は、音声信号に基づき駆動されるステッピングモータ１１０と、ステッピングモータ１１０の回転軸に固定され、円周方向に配列されたＳ極とＮ極が着磁されたローター１２０と、ローター１２０と非接触状態で磁気的に結合され、ローター１２０の回転に応じて直線運動するアクチュエータ１３０と、アクチュエータ１３０に接続された振動板１４０とを有する。機械的な結合を用いることなく、非接触状態による磁気吸引力で結合されているため、振動系に機械的共振が発生しない。
【選択図】 図４

Description

本発明は、磁気結合型スピーカに関し、特にモータドライブ型の磁気結合スピーカに関する。

従来より使用されている大半のスピーカは、ボイスコイルに電流を印加することで発生する磁力を用いて振動板を振動させる、電磁誘導を利用するものである。図１は、従来の電磁誘導型のスピーカの概略構成を示し、左側半分は、スピーカの正面図、右半分は、その断面図である。図中のＡは、ボイスコイルVCの巻幅Lcの寸法を示し、Ｂは、磁気回路ギャップ対向幅Tgの寸法を示している。典型的に、ボイスコイルVCの巻幅lcと磁気回路ギャップ対向幅Tgの比を、0.8〜1.2程度に設定することにより、初期感度が良い高効率のスピーカを得ることができる。しかしながら、この方式のスピーカは、初期感度は高いが、振幅すると、ボイスコイルVCが有効磁場から外れ、駆動力の低下と共に効率ダウンと歪を発生する。このため、最大音圧は、リニアに上がらない。例えば、リニアに駆動される線形エリアは、次のように表される。
Xmax Linear = |(A-B)/2| ≒ 0.5mm

図１のスピーカを改良したスピーカを図２に示す。図２の右半分は、ロングボイスコイル方式、左半分は、ショートボイスコイル方式を示している。ロングボイスコイル方式は、Ａ＞Ｂの関係にあり、ボイスコイルVCが変動しても常にボイスコイルの一部は、磁束領域内にある。従って、(A-B)/2の分だけ線形エリア（Xmax Linear）を大きく取ることができるが、線形エリアを上げれば上げるほど、有効磁場の比率が低下し効率が悪くなってしまう。このような効率の悪化は、大きなアンプを必要とする。

また、ショートボイスコイル方式は、Ａ＜Ｂの関係にあり、ボイスコイルVCは、常に磁束領域内にあるが、ギャップ対向幅Ｂを大きくすると、表面積が大きくなるため磁束密度が低下する。従って、(B-A)/2の分だけ線形エリア（Xmax Linear）は大きく取れるが、線形エリアを上げれば上げるほど、有効磁場の比率が低下し効率が悪くなる。このように、ロングボイスコイル方式およびショートボイスコイル方式のいずれも、振幅特性に優れるが、感度が低下する欠点を有している。

他方、特許文献１は、電磁誘導型のスピーカとは異なるモータドライブ型のスピーカを開示している。このスピーカは、図３に示すように、オーデイオアンプ１０からの音声信号を駆動回路１１にて速度信号に変換し、進行性振動波により駆動される振動波モータ１２により、リンク１６及び板バネ１３を介して振動板を構成するコーン紙１５を振動させるものである。

特開平８−７９８９６号

上記したように、従来の電磁誘導型のスピーカは、効率は優れるが振幅特性が低下したり、振幅特性に優れるが感度が低下するといった、小振幅時の効率と大振幅時の効率が相反する課題を有している。また、特許文献１に示すようなモータドライブ型のスピーカは、駆動モータによるトルクが一定であり、効率が良いが、回転運動を直線運動に変換するためのリンクや板バネなどの機械的結合部材が固有振動を発生させたり、結合強度不足により損失が発生するため、実信号に対して振動が正確に動かず、極めて低周波の領域のみしか適用することができなかった。

本発明は、上記従来の課題を解決し、新規な磁気結合型のスピーカを提供することを目的とする。
さらに本発明は、ディジタル信号によってスピーカを駆動することができるスピーカ装置を提供することを目的とする。

本発明に係る磁気結合型スピーカは、音声信号に基づき駆動されるモータと、モータの回転軸に固定され、円周方向に配列された磁石を含む回転部材と、前記回転部材と非接触状態で磁気的に結合され、前記回転部材の回転に応じて直線運動するアクチュエータと、前記アクチュエータに接続された振動板とを有する。

好ましくは前記回転部材は、円周方向にＳ極とＮ極が交互に着磁された円盤状の部材であり、前記アクチュエータは、長手方向と短手方向とを有し、長手方向に沿うようにＳ極とＮ極が着磁された部材であり、前記アクチュエータの一方の端部に前記振動板が接続される。好ましくはスピーカはさらに、側面と底面とを有する一面が開放されたフレームを含み、前記フレームの底面には前記モータが固定され、前記振動板は、前記フレームの開放された面を閉じるように前記フレーム上に取り付けられ、前記アクチュエータの一方の端部は、前記振動板の底面に固定され、前記アクチュエータは、前記振動板の底面からほぼ鉛直方向に前記フレームの底面に向けて延び、前期アクチュエータの他方の端部は、前記モータに取り付けられた前記回転部材から一定距離だけ離間されている。

本発明に係るスピーカ装置は、上記構成のスピーカと、前記モータをディジタル制御する制御手段とを含み、前記制御手段は、ディジタル音声信号に基づき前記モータの回転角度および回転方向を制御する。

好ましくは前記制御手段は、ディジタル音声信号に基づき前記モータの回転角を制御するためのパルス信号を生成する回路と、ディジタル音声信号と基準信号とを比較して前記モータの回転方向を制御する回路とを有する。好ましくは前記制御手段はさらに、アナログ音声信号からディジタル音声信号を生成する回路を含む。

本発明によれば、機械的共振による歪みの発生を抑制し、感度に優れたスピーカを提供することができる。さらに、ディジタル信号によりスピーカの駆動を制御することができるスピーカ装置を提供することができる。

従来の磁気誘導型のスピーカの概略構成を示す図である。 従来の磁気誘導型のロングボイスコイル方式およびショートボイスコイル方式のスピーカの概略構成を示す図である。 従来のモータドライブ型のスピーカの構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係るスピーカの原理を説明する図である。 メカニカル結合を有するスピーカの出力音声波形を示すグラフである。 本実施の形態に係る磁気結合型のスピーカの出力音声波形を示すグラフである。 本発明の実施例に係るスピーカ装置の構成を示すブロック図である。 図６のディジタルアンプにおけるＰＷＭ信号の生成を説明する図である。 ＰＷＭ信号から変換されたパルス信号列を示す図である。 デューティ比５０％の基準信号Ｒの生成を説明する図である。 ステッピングモータの回転角と回転方向の制御例を示す図である。 ステッピングモータの概略構成を示す図である。 ステッピングモータの駆動例を示す図である。 本実施例のスピーカの具体的な構造例を説明する図である。 図１３のスピーカの概略断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図４は、本実施の形態に係る磁気結合型スピーカの原理を説明する図である。本実施の形態に係るスピーカ１００は、ステッピングモータやサーボモータなどの動力源としてのモータ１１０と、モータ１１０の回転軸に取り付けられた円盤状の回転部材であるローター１２０と、ローター１２０に非接触状態で磁気結合されて直線運動をするアクチュエータ（駆動部材）１３０と、アクチュエータ１３０の直線運動によって振動される振動板１４０とを有する。

モータ１１０は、好ましくはステッピングモータであり、メディアソースから再生されたディジタル音声信号に基づき駆動され、回転制御される。ローター１２０は、磁性材料から構成され、好ましくは、円周方向にＮ極およびＳ極を交互に着磁させた磁石または磁性体金属から構成される。ローター１２０の中心は、モータ１１０の回転軸に固定され、ローター１２０は、モータ１１０によって正回転または逆回転される。

アクチュエータ１３０は、長手方向と短手方向を有する磁性材料から構成され、例えば、長手方向に延在する板状または棒状の形状を有する。好ましくは、アクチュエータ１３０は、図示するように、長手方向の寸法Ｂ内に、Ｓ極とＮ極のペアを磁極が交互に反転するように長手方向に沿って配した多極マグネットから構成される。アクチュエータ１３０の長手方向は、モータ１１０の回転軸と直交し、かつアクチュエータ１３０は、ローター１２０から距離Ａを離間されてローター１２０と磁気結合されている。従って、ローター１２０が回転すると、これに同期するようにアクチュエータ１３０が長手方向に直線運動をする。

距離Ａを調整することで、アクチュエータ１３０とローター１２０との間の磁力を可変することができる。距離Ａを小さくすれば、磁気結合力は強くなり、ローター１２０に対するアクチュエータ１３０の追随性は高くなる。他方、距離Ａを小さくすれば、磁気結合力は弱くなり、アクチュエータ１３０の追随性は低くなり、ローター１２０の回転方向が切り替わるときのアクチュエータ１３０の反転を緩和することができる。また、磁場領域を形成する寸法Ｂは、ローター１２０の大きさ、振動板１４０の振動量に応じて適切に選択される。なお、寸法Ａ、Ｂは、図１に示したスピーカの寸法Ａ、Ｂに対応するものである。

アクチュエータ１３０の一方の端部には、振動板１４０が固定される。振動板１４０は、例えば、コーン紙やプラスチックなどから構成される。音声信号に基づきモータ１１０が回転されると、その回転運動は、アクチュエータ１３０によって直線運動に変換され、振動板１４０が振動される。

上記例では、アクチュエータ１３０の磁場領域を多極マグネットにすることで、アクチュエータ１３０とローター１２０間の磁気結合力を大きくしているが、アクチュエータ１３０の磁場領域を磁石によらず磁性体金属などから構成する場合には、距離Ａを小さくすることで、アクチュエータ１３０を駆動することができる。また、アクチュエータ１３０は、材質や形状により重量を異にするが、重量に応じて距離Ａを可変し、磁気結合力を調整することができる。アクチュエータ１３０の形状は、特に制限されるものではなく、要は、ローター１２０と磁気結合が可能であり、かつローター１２０の回転運動を直線運動に変換してこれを振動板１４０へ伝達し得る形状であればよい。

本実施の形態の磁気結合型スピーカには、次のような利点がある。
（１）ローター１２０とアクチュエータ１３０は、特許文献１に示すような機械的な結合を用いることなく、非接触状態による磁気吸引力で結合されているため、振動系に機械的共振が発生しない。
（２）磁気結合のための距離Ａを可変することで、磁気結合力を変化させることができ、その結果、スピーカの低域特性のQmsゃFoを制御することができる。
（３）磁気的に強弱をつけることで、振幅をソフトクリップ的にしたり、ラウドネス的な駆動力に変化させることができる。すなわち、アクチュエータ１３０が直線運動をするとき、自身の重量により慣性力が働くが、磁気結合力を適切に選択することで、アクチュエータ１３０が方向転換するときの動きを緩和させることで、ソフトクリップを実現することができる。
（４）アクチュエータの軸方向（Ｚ方向）にも強弱をつけることで、Ｚ方向に自然に吸引させぬＺ方向の位置が自動的に中心軸に戻ることができる。
（５）モータ１１０をディジタル信号によるディジタル制御することで、回転軸を磁場特性を加味して制御することができ、さらにディジタル信号処理回路による安価なシステムを提供することが可能になる。

図５Ａは、メカニカル結合されたスピーカの出力音声波形の周波数特性を示すグラフであり、横軸は、周波数、縦軸は、出力（ｄＢ）である。音声出力の基本波、２次共振波および３次共振波が示されているが、２次および３次共振波は、広い帯域に亘って基本波に近い出力を有するため、機械的共振による歪みの影響が大きいことがわかる。

図５Ｂは、本実施の形態に係る磁気結合型のスピーカの出力音声波形の周波数特性を示すグラフである。グラフからも明らかなように、２次共振波および３次共振波は、基本波に対してかなり低減されている。従って、磁気結合による歪みは、ほとんど影響がないことがわかる。

次に、本発明の実施例について説明する。図６は、本実施例のスピーカ装置の構成を示すブロック図である。本実施例のスピーカ装置２００は、ＣＤ、ＤＶＤその他のメディアソースから再生されたアナログオーディオ信号をＰＷＭ波形に変換しこれを出力するディジタルアンプ２１０と、ディジタルアンプ２１０からのＰＷＭ信号を入力しこれをステッピングモータを駆動するためのパルス信号に変換し、ステッピングモータの回転角や回転方向を制御するモータ駆動制御回路２２０と、モータ駆動制御回路２２０によって駆動されるステッピングモータ２３０と、ステッピングモータ２３０のローターに磁気結合されたアクチュエータおよび振動板２４０とを含んで構成される。

ディジタルアンプ２１０は、好ましくは、入力されたアナログ音声信号と三角波信号とを比較する比較回路を含み、その比較結果に基づきＰＷＭ信号を生成する。図７は、正弦波の音声信号Ｓinと三角波信号Ｓrefとを比較し、ＰＷＭ信号を生成する例を示している。すなわち、音声信号Ｓinが三角波信号Ｓrefよりも大きいとき、Ｈレベル（VDD）、それ以下のときＬレベル(GND)の矩形波をもつＰＷＭ信号が生成される。

モータ駆動制御回路２２０は、例えば、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサあるいは演算処理回路などを用いて構成され、ステッピングモータ２３０の回転角および回転方向を制御する。モータ駆動制御回路２２０は、ディジタルアンプ２１０からＰＷＭ信号を受け取り、このＰＷＭ信号を図８に示すようなパルス信号列に変換する。１つのパルス信号は、ステッピングモータ２３０のステップ角に相当する。

モータの回転角度は、回転角度＝ステップ角×パルス数で表される。例えば、ステッピングモータを９０度回転させるとき、１つのパルス信号によるステップ角が０．７２°であれば、１２５のパルス信号が必要になる（９０°＝０．７２°×１２５）。ステッピングモータが９０度回転したとき、例えば、スピーカの振動板の振動量は、±３ｃｍである。また、モータの回転速度は、回転速度（r／min）＝ステップ角／３６０°×パルス速度［Hz］×６０で表される。例えば、３６００(r/min)＝０．７２／３６０°×３０ＫＨｚ×６０となる。

次に、回転方向の制御について説明する。モータ駆動制御回路２２０は、図９に示すように、三角波信号Ｓrefと、三角波信号Ｓrefの上限と下限の半分となるしきい値Ｓthとを比較することで、デューテイ比５０％の基準信号Ｒを生成する。この三角波信号Ｓrefは、ディジタルアンプ２１０の三角波信号Ｓrefと同一の周波数をもつ信号である。モータ駆動制御回路２２０は、ディジタルアンプ２１０からのＰＷＭ信号と基準信号Ｒとを比較し、比較結果に基づきステッピングモータ２３０の正回転または逆回転を制御する。好ましくは、ＰＷＭ信号のオンデューテイが５０％を越えるとき正回転、５０％を超えないとき逆回転、５０％のとき停止と設定する。

図１０（ａ）は、ＰＷＭ信号と基準信号Ｒとの比較の例であり、図１０（ｂ）は、回転方向と回転角の設定例を示している。区間Ｔ１のとき、ＰＷＭ信号のオンデューテイは９０％（９０：１０）であり、回転方向が正回転、回転角が９０°になる。区間Ｔ２では、オンデューテイが７０％（７０：３０）であり、回転方向が正回転、回転角が７０°になる。区間Ｔ３では、オンデューテイが４５％（４５：５５）であり、回転方向が逆回転、回転角が５５°となる。区間Ｔ４では、オンデューテイが１５％（１５：８５）であり、回転方向が逆回転、回転角が８５°となる。

図１１は、ステッピングモータの概略構成を示す図である。ステッピングモータ２３０は、ローター２３２の中心に回転軸を有し、Ｘ、Ｘバー、Ｙ、Ｙバーのコイル（ステータ）２３６に適宜電圧を印加することによって、決めたれた方向にかつ決められた角度で回転子２３２を回転させることができる。図１２（ａ）は、ステッピングモータを正回転に制御するときの真理値表、図１２（ｂ）は、逆回転に制御するときの真理値表である。１、２、３、４の順序でコイル２３６にＨレベルのパルス信号を印加することで回転が制御される。このように、本実施例のスピーカ装置２００は、ディジタルアンプ２１０から提供されるディジタル信号を用いてスピーカをディジタル制御することができ、信号処理系をディジタル回路のみによって構成することができる。

次に、本実施例のスピーカの具体的な構造例について説明する。図１３Ａに示すように、一方の面が開放された矩形状のフレーム３００を準備する。フレーム３００の各側壁には、矩形状の開口３０２が形成されている。フレーム３００は、樹脂、金属あるいは他の材料を用いて構成される。次に、図１３Ｂに示すように、フレーム３００の底面３０４の所定位置に、ステッピングモータ３１０が固定される。次に、図１３Ｃに示すように、モータ３１０の回転軸に円盤状の多極マグネット３２０（図４のローターに相当）が固定される。多極マグネット３２０は、フレーム３００のほぼ中央に位置する。次に、図１３Ｄに示すように、ステッピングモータ３１０の回転軸を受けるシャフト受け３１２を取り付ける。そして、図１３Ｅに示すように、アクチュエータ３３０（図１４を参照）が接続されている振動板３４０をフレーム３００の開放面が取り付ける。

図１４は、スピーカの概略断面図である。ステッピングモータ３１０に円盤状の多極マグネット３２０が取り付けられ、多極マグネット３２０に距離Ａだけ離間された位置に、多極マグネットのアクチュエータ３３０が位置する。アクチュエータ３３０の一方の端部は、振動板３４０の底面のほぼ中央に固定されている。

振動板３４０は、ほぼ矩形状を有し、コーン紙あるいはプラスチックなどから構成される。振動板３４０のエッジ３４２は、フレーム３００の円弧状の周縁部に取り付けられ、振動板３４０は、エッジ３４２に支持されて上下方向に振動できるようになっている。ステッピングモータ３１０が正回転または逆回転されると、それに応答してアクチュエータ３３０が鉛直方向に往復運動をし、振動板３４０が振動する。このように構成されたスピーカは、例えば、車載用オーディオ装置と一緒に車両に搭載される。また、本実施例のスピーカは、磁気結合力およびアクチュエータの重量等を適宜選択することで、低周波から高周波の領域に適用可能であるが、特に、低域用のサブウーファに利用することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

上記例では、スピーカの振動板およびフレームを矩形状としたが、これに限らず、取付け位置や用途に応じて円形状やその他の形状にすることができる。さらに、フレームの大きさ、材質、重量、モータの駆動能力、アクチュエータの材質、重量、形状などは、スピーカの目的、仕様に応じて適宜変更することが可能である。

１００：スピーカ １１０：モータ
１２０：ローター １３０：アクチュエータ
１４０：振動板 ２００：スピーカ装置
２１０：ディジタルアンプ ２２０：モータ駆動制御回路
２３０：ステッピングモータ ２３２：回転子
２３４：回転軸 ２３６：コイル
３００：フレーム ３１０：ステッピングモータ
３２０：多極マグネット ３３０：アクチュエータ
３４０：振動板 ３４２：エッジ

Claims (6)

1. 音声信号に基づき駆動されるモータと、
   モータの回転軸に固定され、円周方向に配列された磁石を含む回転部材と、
   前記回転部材と非接触状態で磁気的に結合され、前記回転部材の回転に応じて直線運動するアクチュエータと、
   前記アクチュエータに接続された振動板と、
   を有する磁気結合型のスピーカ。
2. 前記回転部材は、円周方向にＳ極とＮ極が交互に着磁された円盤状の部材であり、前記アクチュエータは、長手方向と短手方向とを有し、長手方向に沿うようにＳ極とＮ極が着磁された部材であり、前記アクチュエータの一方の端部に前記振動板が接続される、請求項１に記載のスピーカ。
3. スピーカはさらに、側面と底面とを有する一面が開放されたフレームを含み、前記フレームの底面には前記モータが固定され、前記振動板は、前記フレームの開放された面を閉じるように前記フレーム上に取り付けられ、
   前記アクチュエータの一方の端部は、前記振動板の底面に固定され、前記アクチュエータは、前記振動板の底面からほぼ鉛直方向に前記フレームの底面に向けて延び、前期アクチュエータの他方の端部は、前記モータに取り付けられた前記回転部材から一定距離だけ離間されている、請求項１または２に記載のスピーカ。
4. 請求項１ないし３いずれか１つに記載のスピーカと、
   前記モータをディジタル制御する制御手段とを含み、
   前記制御手段は、ディジタル音声信号に基づき前記モータの回転角度および回転方向を制御する、スピーカ装置。
5. 前記制御手段は、ディジタル音声信号に基づき前記モータの回転角を制御するためのパルス信号を生成する回路と、ディジタル音声信号と基準信号とを比較して前記モータの回転方向を制御する回路とを有する、請求項４に記載のスピーカ装置。
6. 前記制御手段はさらに、アナログ音声信号からディジタル音声信号を生成する回路を含む、請求項５に記載のスピーカ装置。

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