JP2022149259A - スピーカ - Google Patents

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Abstract

【課題】ボイスコイルの位置を高精度で検出可能なスピーカを提供する。【解決手段】スピーカは、磁気回路を形成するヨークと、固定的に配置される第１磁石と、前記磁気回路の磁束が通過するギャップに配置されるボイスコイルと、前記ボイスコイルに接続され該ボイスコイルと共に振動する振動板と、前記ボイスコイルおよび前記振動板を含む振動部に設けられる第２磁石と、前記第１磁石が発生する第１磁束と前記第２磁石が発生する第２磁束の両方の磁束が通過する位置に設けられる磁気センサとを含む。前記第１磁束の向きと前記第２磁束の向きは異なっている。【選択図】図２

Description

本発明は、スピーカに関する。
従来より、センターポールと、絶縁体層と非磁性の導電体層とからなるボビンを有するボイスコイルボビンとの間に形成される静電容量を検出して電気信号として出力するスピーカがある。検出した静電容量は、ＭＦＢ（Ｍｏｔｉｏｎａｌ Ｆｅｅｄ Ｂａｃｋ）回路で音の歪みを解消するために用いられる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７－０２０１５３号公報
ところで、従来のスピーカは、検出対象となる静電容量が外乱ノイズの影響を受け難くなるように工夫しているが、外乱ノイズによる静電容量の変化は本来の検出値よりも大きくなりやすく、ゼロ点の検知を行いにくいことから、ボイスコイルの位置の検出精度がＭＦＢ回路での音の歪みを十分に解消できるレベルではない。
そこで、ボイスコイルの位置を高精度で検出可能なスピーカを提供することを目的とする。
本発明の実施形態のスピーカは、磁気回路を形成するヨークと、固定的に配置される第１磁石と、前記磁気回路の磁束が通過するギャップに配置されるボイスコイルと、前記ボイスコイルに接続され該ボイスコイルと共に振動する振動板と、前記ボイスコイルおよび前記振動板を含む振動部に設けられる第２磁石と、前記第１磁石が発生する第１磁束と前記第２磁石が発生する第２磁束の両方の磁束が通過する位置に設けられる磁気センサとを含み、前記第１磁束の向きと前記第２磁束の向きが異なっている。
ボイスコイルの位置を高精度で検出可能なスピーカを提供することができる。
スピーカ１００を示す図である。 磁気センサ１２０と磁束の向きを示す図である。 スピーカ１００のボイスコイル１０５への印加電圧に対するボイスコイル１０５の変位を示す図である。
以下、本発明のスピーカを適用した実施形態について説明する。
＜実施形態＞
図１は、スピーカ１００を示す図である。図１（Ａ）には図１（Ｂ）におけるＡ－Ａ矢視断面を示す。図１（Ｂ）はスピーカ１００を振動板およびダンパを削除して上面側から見た状態を示す平面図である。ここでは、図１（Ａ）における上下関係を用いて説明するが、普遍的な上下関係を表すものではない。上面側はスピーカ１００の表側であり、音が出力される側である。下面側はスピーカ１００の裏側である。
また、以下では、平面視とは上面側又は下面側から見ることをいう。また、直角、直交、垂直、上下等の文言は、実施形態の効果を損なわない程度のずれを許容するものとする。
スピーカ１００は、フレーム１０１、振動板１０２、エッジ１０３、ボビン１０４、ボイスコイル１０５、ダンパ１０６、ヨーク１０７、第１磁石１０８、トッププレート１０９、第２磁石１１０、磁気センサ１２０、台座１３０を含む。ボビン１０４及びボイスコイル１０５、さらに振動板１０２は、振動部の一例である。スピーカ１００は平面視で円形であり、図１（Ａ）、図１（Ｂ）にはスピーカ１００の中心軸Ｃを示す。
フレーム１０１は、スピーカ１００の筐体であり、金属又は樹脂等で略円錐形に作製される。フレーム１０１は図１（Ｂ）に示すように下側に保持部１０１Ａを有する。保持部１０１Ａは、トッププレート１０９の上面に固定されている。なお、図１（Ａ）では保持部１０１Ａを省略する。
振動板１０２は、紙又は樹脂あるいは薄い金属板製でありボイスコイル１０５の上下方向への振動によって振動され、音を発生する。振動板１０２は、全体が略円錐形、平面視で円環形であり、外周側はゴム等の弾性材料で形成されたエッジ１０３を介してフレーム１０１に接続され、内周側はボビン１０４に接続される。振動板１０２の円環形状の中心は、平面視で中心軸Ｃと一致している。
ボビン１０４は、紙又は樹脂等で作製された円筒状の部材であり、上端は振動板１０２の内周側と接続されるとともに、ダンパ１０６の内周側に接続されている。ボビン１０４の下部の外周にはボイスコイル１０５が巻回されており、ボビン１０４及びボイスコイル１０５は、後述するギャップ１０７Ｇに上側から差し込まれている。ボビン１０４の円筒形状の中心は、平面視で中心軸Ｃと一致している。ボビン１０４は振動板１０２の内周側に一体に形成されていてもよい。
ヨーク１０７は、スピーカ１００の裏側に設けられている。ヨーク１０７は、平面視で円形であり、図１（Ａ）に示すように断面視でアーム状の形状を有する磁性体製の部材である。ヨーク１０７の外周側の端部１０７Ａは、第１磁石１０８を保持している。ヨーク１０７の内周側の上端部１０７Ｂは、ギャップ１０７Ｇを挟んでトッププレート１０９の内周面に面している。すなわち、ヨーク１０７の上端部１０７Ｂの外周面とトッププレート１０９の内周面との間に磁気空隙である環状のギャップ１０７Ｇが形成されている。ヨーク１０７の円形状の中心は、平面視で中心軸Ｃと一致している。
第１磁石１０８は、図１（Ｂ）に示すように円環状の永久磁石である。第１磁石１０８の円環形状の中心は、平面視で中心軸Ｃと一致している。第１磁石１０８は、上面側と下面側のうちの一方がＮ極で他方がＳ極になるように着磁されている。第１磁石１０８が発生する磁束は、トッププレート１０９、ギャップ１０７Ｇ、ヨーク１０７を通過して第１磁石１０８に帰還する。磁気センサ１２０が位置する上下方向の高さ位置においては、第１磁石が発生する磁束の向きは、図１（Ｂ）の中央部に８本の矢印Ｂで示す通り、平面視において中心軸Ｃに向かう方向である。第１磁石１０８が発生する磁束は、第１磁束の一例である。
トッププレート１０９は、平面視で円環状の磁性体製の部材であり、第１磁石１０８の上に固定されている。トッププレート１０９の円環形状の中心は、平面視で中心軸Ｃと一致している。トッププレート１０９は、ヨーク１０７及び第１磁石１０８とともに磁気回路を構成している。
第２磁石１１０は、ボビン１０４の外周面におけるボイスコイル１０５よりも上側の位置に取り付けられている。第２磁石１１０はボビン１０４の周方向の一か所に取り付けられており、平面視において後述する磁気センサ１２０と対向し、または磁気センサ１２０と上下方向に重なるように配置されている。第２磁石１１０は、Ｎ極及びＳ極を有する永久磁石であり、矢印Ｄで示す向きを有する磁束を発生する。第２磁石１１０の磁束は、第２磁束の一例である。第２磁石１１０の磁束は、平面視においてボビン１０４の外周面がなす円の接線方向である。ここで、第１磁石１０８が発生する磁束のうち、第２磁石１１０の平面視における中心を通る磁束の向きを矢印Ｂ１で示す。矢印Ｂ１で示す第１磁石１０８の磁束の向きと、矢印Ｄで示す第２磁石１１０の磁束の向きとは、平面視で直交する。このような第２磁石１１０は、ボイスコイル１０５の位置を検出するために、磁気センサ１２０に所定の密度の磁束（所定の強度の磁界）を提供できればよいため、第１磁石１０８よりも小さい磁石でよい。
磁気センサ１２０は、トッププレート１０９の上に台座１３０を介して設けられている。台座１３０は磁気センサ１２０の高さを調整するために設けられており、例えば樹脂製である。磁気センサ１２０は、平面視において中心軸Ｃと第２磁石１１０の中心とを結ぶ直線上に位置する。このため、磁気センサ１２０の位置は、第１磁石１０８の磁束と、第２磁石１１０の磁束との向きが直交する位置である。
磁気センサ１２０は、平面内における磁束の向きを検出可能なセンサであり、中心軸Ｃに垂直な平面内における磁束の向きを検出できるように配置されている。ボイスコイル１０５に音声信号の電流を流すと、ボビン１０４及びボイスコイル１０５は中心軸Ｃの方向に両矢印で示すように振動するため、磁気センサ１２０は、ボビン１０４及びボイスコイル１０５の振動方向と垂直な平面内における第１磁石１０８の磁束と第２磁石１１０の磁束との合成磁束の向きを検出することができる。磁気センサ１２０は、一例としてＡＭＲ(Anisotropic Magneto Resistance)素子、ＧＭＲ(Giant Magnetic Resistance)素子、ＴＭＲ(Tunnel Magneto Resistance)素子等のＭＲ(Magneto Resistance)素子を含むセンサを用いることができる。ここでは一例として磁気センサ１２０がＧＭＲ素子を含むセンサである形態について説明する。
図２は、磁気センサ１２０と磁束の向きを示す図である。図２には、第１磁石１０８の磁束のうち磁気センサ１２０の位置に存在する磁束の向きＢ１と、第２磁石１１０の磁束の向きＤとを示す。また、図２には、直交座標系であるＸＹＺ座標を示す。Ｘ方向は向きＤと一致し、Ｙ方向は向きＢ１と一致する。また、Ｚ方向は図１に示す中心軸Ｃの方向と一致する。
ボイスコイル１０５は中心軸Ｃの方向（Ｚ方向）に振動するため、ボイスコイル１０５が音声信号に従って駆動されてＺ方向に振動すると、第２磁石１１０もＺ方向に振動する。ここで、向きＤが、第２磁石１１０が発生する、ある特定の磁束を示すものとして考えると、第２磁石１１０がＺ方向の振動によってＺ方向に移動すると、図２に太い矢印で示すように、ある特定の磁束のＺ方向における位置が変化する。磁気センサ１２０によって検出される第２磁石１１０の磁束の密度は、第２磁石１１０がＺ方向（図１（Ａ）における上方）に離れるほど低下するため、第２磁石１１０がＺ方向の振動によってＺ方向に移動すると、磁気センサ１２０をＸ方向に貫く磁束の密度（磁界の強度）が変化することになる。
磁気センサ１２０は振動部ではなく磁気回路（固定体側）に取り付けられているため、磁気センサ１２０をＹ方向に貫く第１磁石１０８の磁束の密度（磁界の強度）は一定である。このため、磁気センサ１２０をＸ方向に貫く磁束の密度が変化すると、磁気センサ１２０を通るＸＹ平面内における第１磁石１０８の磁束と第２磁石１１０の磁束との合成磁束の向きが変化する。このため、磁気センサ１２０は、ボイスコイル１０５のＺ方向における振動に伴う合成磁束の向きの変化を検出することができる。
ボイスコイル１０５のＺ方向における変位は、振動板１０２の変位を表すため、磁気センサ１２０で上記合成磁束の向きの変化を検出することにより、振動板１０２、ボビン１０４、及びボイスコイル１０５のＺ方向における変位を検出することができる。このような磁気センサ１２０で検出される合成磁束の向きと、ボイスコイル１０５のＺ方向における位置又は変位との関係を予め測定してデータとして取得して、マイクロコンピュータ等からなる制御部のメモリに格納しておき、磁気センサ１２０で検出される合成磁束の向きに対応するボイスコイル１０５のＺ方向における位置又は変位を出力する構成にすればよい。制御部はスピーカ１００の内部に配置されていてもよいが、スピーカ１００に外部から接続されてもよい。
磁気センサ１２０はＸＹ平面内における磁束（磁界）の向きを検出するセンサであり、磁界方向のみに応じて磁気抵抗が変化する特性を有する。磁気センサ１２０の磁気抵抗は、磁界の大きさによっては変化しない。このため、磁気センサ１２０は、外部ノイズ等の影響を受けにくく、高精度で磁束の向きを検出することができる。
したがって、ボイスコイル１０５の位置を高精度で検出可能なスピーカ１００を提供することができる。ボイスコイル１０５の位置を高精度で検出できることにより、適応信号処理において磁気センサ１２０によって検出される合成磁束の向きを表すマイクロコンピュータの出力（ボイスコイル１０５のＺ方向における位置又は変位を表す出力）を用いてフィードバック制御を行えば、ボイスコイル１０５に入力される音声信号に対する音の歪みを低減することができる。
スピーカ１００は常にアンプから出力される音声信号に従って受動的に音声を出力する装置であり、音声信号に対する出力の歪が非常に大きく、ばらつきも大きく、過振による破損が生じ得る装置である。過去にもボイスコイルの振幅をフィードバックする技術は検討されたが、ノイズや、スピーカへの負担を最小化できるセンサが存在せず、音声信号に対する出力の歪みを高精度に補正することは困難であった。
過去に試されたセンサは、レーザ、光、又は渦電流等を検出するセンサや、差動センサ、ムービングコイル等があるが、いずれもボイスコイルの位置を正確に特定できない、ノイズが大きい、又は、ボビンやボイスコイル等の振動部材への負担が大きい、温度変化に耐えられない、コストが高すぎるなどの課題があった。
これに対して、上述のように合成磁束の向きを検出する磁気センサ１２０を用いたスピーカ１００は、ボイスコイル１０５の位置を正確に特定でき、ノイズが小さく、ボビン１０４やボイスコイル１０５等の振動部材への負担が小さく、温度変化にも対応可能であり、低コストで実現することができる。
また、第１磁石１０８は、ヨーク１０７と磁気回路を形成する磁石であるため、スピーカ１００における既存の磁石を利用して、ボイスコイル１０５の位置を高精度で検出可能なスピーカ１００を提供することができる。
また、第２磁石１１０が、ボイスコイル１０５が巻回されているボビン１０４に取り付けられるので、ボイスコイル１０５の位置を第２磁石１１０で正確に検出することができ、ボイスコイル１０５の位置を高精度で検出可能なスピーカ１００を提供することができる。
また、磁気センサ１２０が設けられる位置は、ボビン１０４の外周側であるので、第１磁石１０８（磁気回路）と第２磁石１１０の双方に接近して配置しやすく、ボイスコイル１０５の位置を高精度で検出可能なスピーカ１００を提供することができる。
磁気センサ１２０は、ボイスコイル１０５の振動方向と垂直な平面内における第１磁石１０８の磁束と第２磁石１１０の磁束との合成磁束の向きの変化を検出するので、ボイスコイル１０５の振動による変位を合成磁束に対して最大限に反映させることができ、ボイスコイル１０５の位置の検出精度が向上する。
また、磁気センサ１２０が設けられる位置において、第１磁石１０８の磁束と第２磁石１１０の磁束とは直交するので、第２磁石１１０の磁束の密度の変化（磁界の強度の変化）を合成磁束に対して最大限に反映させることができ、ボイスコイル１０５の位置の検出精度が向上する。
図３は、スピーカ１００のボイスコイル１０５への印加電圧に対するボイスコイル１０５の変位を示す図である。ボイスコイル１０５への印加電圧の絶対値が増大すると、線形的ではないがボイスコイル１０５に入力される音声信号の電流の絶対値も増大する。
また、図３において破線で示す特性は、磁気センサ１２０で検出される合成磁束の向きに基づいて適応信号処理でフィードバック制御を行うことによって、印加電圧に対する音の歪みを補正した特性を示す。実線で示す特性は、磁気センサ１２０で検出される合成磁束の向きに基づいたフィードバック制御を行わずに適応信号処理で音の歪みを調整した場合の特性を示す。
図３に示すように、磁気センサ１２０で検出される合成磁束の向きに基づいたフィードバック制御を行っていない実線の特性は、印加電圧の絶対値が大きい動作領域で歪みが大きいが、磁気センサ１２０で検出される合成磁束の向きに基づいたフィードバック制御を行った破線の特性は、印加電圧に対してボイスコイル１０５の変位が線形的に変化していることが分かる。
磁気センサ１２０で合成磁束の向きを高精度に検出できるため、ボイスコイル１０５への印加電圧に対するボイスコイル１０５の変位の歪みをこのように線形的に補正することができる。すなわち、ボイスコイル１０５の変位における歪み率を改善することができる。
また、磁気センサ１２０で検出される合成磁束の向きに基づいてボイスコイル１０５の変位を高精度に検出できるため、ボイスコイル１０５（ボイスコイル１０５および振動板１０２）の共振を制御することができるとともに、共振帯域以外においてもボイスコイル１０５の振動を高精度に制御することができる。
また、磁気センサ１２０で検出される合成磁束の向きに基づいてボイスコイル１０５の変位を高精度に検出できるため、振動板１０２、エッジ１０３、ボビン１０４、ダンパ１０６等の破損等を高精度に検出することができる。また、これらの部材が破損している場合には、音声信号の供給元に対してエラー通知を行うことができる。
また、磁気センサ１２０で検出される合成磁束の向きに基づいてボイスコイル１０５の変位を高精度に検出できるため、ダンパ１０６を用いずに振動板１０２の緩衝を電気的に制御できる可能性がある。
また、磁気センサ１２０で検出される合成磁束の向きに基づいてボイスコイル１０５の変位を高精度に検出できるため、音声信号を増幅するアンプに入力する電力を最適化でき、アンプへの入力電力を低減でき、アンプの小型化を図ることができる。
また、磁気センサ１２０で検出される合成磁束の向きに基づいてボイスコイル１０５の変位を高精度に検出できるため、ボイスコイル１０５の位置情報をもとにしたフィードバック制御により歪みを抑えることができる。
また、磁気センサ１２０で検出される合成磁束の向きに基づいてボイスコイル１０５の変位を高精度に検出できるため、過大入力でスピーカ１００が破損することを抑制でき、スピーカ１００への入力信号に設けるマージン（余裕代）を小さくすることができる。
なお、以上では、第２磁石１１０がボビン１０４に取り付けられる形態について説明したが、第２磁石１１０はボイスコイル１０５に取り付けられていてもよい。また、第２磁石１１０は、ボビン１０４及びボイスコイル１０５以外で、ボイスコイル１０５とともに振動する部分に取り付けられていてもよい。
また、以上では、磁気センサ１２０がトッププレート１０９の上に設けられた台座１３０の上に配置される形態について説明したが、磁気センサ１２０は第２磁石１１０の磁束を検出可能な位置であれば、磁気回路やフレーム１０１等の固定部側のどこに配置されてもよい。
また、以上では、磁気センサ１２０の位置が、第１磁石１０８の磁束と、第２磁石１１０の磁束との向きが直交する位置である形態について説明した。しかしながら、磁気センサ１２０は合成磁束の向きを検出できればよいため、第１磁石１０８の磁束と、第２磁石１１０の磁束との向きは直交していなくてもよい。第１磁石１０８の磁束の向きと、第２磁石１１０の磁束の向きとが異なる位置であればよい。
また、以上では、ボビン１０４及びボイスコイル１０５の振動方向と垂直に交差する平面内において、磁気センサ１２０が第１磁石１０８の磁束と第２磁石１１０の磁束との合成磁束の向きを検出する形態について説明した。しかしながら、磁気センサ１２０が第１磁石１０８の磁束と第２磁石１１０の磁束との合成磁束の向きを検出する平面は、ボビン１０４及びボイスコイル１０５の振動方向と垂直ではなくてもよく、交差していればよい。交差していれば、ボビン１０４及びボイスコイル１０５の振動に伴う第１磁石１０８の磁束と第２磁石１１０の磁束との合成磁束の向きの変化を検出できるからである。
また、以上では、磁気センサ１２０が第１磁石１０８の磁束と第２磁石１１０の磁束との合成磁束の向きを検出する形態について説明した。第１磁石１０８は固定されており、第２磁石１１０はボビン１０４及びボイスコイル１０５の振動に伴って移動する。このような第１磁石１０８の代わりに、スピーカ１００内に固定的に配置される磁石を設けて第１磁石として用いて、このような第１磁石の磁束と第２磁石１１０の磁束との合成磁束の向きを磁気センサ１２０が検出してもよい。磁気センサ１２０で検出される合成磁束の向きに基づいてボイスコイル１０５の変位を高精度に検出できるからである。また、このようにスピーカ１００内に固定的に配置される磁石の磁束と、第１磁石１０８の磁束と、第２磁石１１０の磁束との合成磁束の向きを磁気センサ１２０が検出してもよい。
以上、本発明の例示的な実施形態のスピーカについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
１００ スピーカ
１０２ 振動板
１０４ ボビン
１０５ ボイスコイル
１０７ ヨーク
１０８ 第１磁石
１１０ 第２磁石
１２０ 磁気センサ

Claims (7)

  1. 磁気回路を形成するヨークと、
    固定的に配置される第１磁石と、
    前記磁気回路の磁束が通過するギャップに配置されるボイスコイルと、
    前記ボイスコイルに接続され該ボイスコイルと共に振動する振動板と、
    前記ボイスコイルおよび前記振動板を含む振動部に設けられる第２磁石と、
    前記第１磁石が発生する第１磁束と前記第２磁石が発生する第２磁束の両方の磁束が通過する位置に設けられる磁気センサとを備え、
    前記第１磁束の向きと前記第２磁束の向きが異なっている
    スピーカ。
  2. 前記第１磁石は、前記ヨークと前記磁気回路を形成する磁石である、請求項１に記載のスピーカ。
  3. 前記振動部は、前記ボイスコイルが巻回されたボビンを含み、前記第２磁石が前記ボビンと前記ボイスコイルと前記振動板の何れかに設けられている、請求項１又は２に記載のスピーカ。
  4. 前記磁気センサが設けられる位置は、前記ボビン又は前記ボイスコイルの外周側である、請求項３に記載のスピーカ。
  5. 前記磁気センサは、前記振動部の振動方向と交差する平面内における前記第１磁束と前記第２磁束との合成磁束の向きの変化を検出する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスピーカ。
  6. 前記磁気センサによって検出された前記第１磁束と前記第２磁束との合成磁束の向きの変化から前記振動部の変位量を算出する制御部を有する、請求項５に記載のスピーカ。
  7. 前記磁気センサが設けられる位置において、前記第１磁束の向きと前記第２磁束の向きとは直交する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のスピーカ。
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