JP3699192B2 - 開口付きスピーカ・エンクロージャを備えた携帯用電子装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、電子回路要素の分野に関するものである。本発明は、とりわけ、開口付きスピーカ・エンクロージャを有する携帯用電子装置である。
【0002】
【従来技術及びその問題点】
携帯用パーソナル・コンピュータのような携帯用電子装置のサイズは、この数年の間にかなり急激に縮小されてきた。初期の携帯用コンピュータは、10Kgを超えており、より現実に即していえば、ハンドル付きのデスクトップ・コンピュータに似ていたが、このため、力持ちと真のサディストだけにしか、このコンピュータを持ち運びすることはできなかった。対照的に、今日のラップ・トップ及びサブノートブック・コンピュータは、1.5Kg未満の重さにすることが可能であり、簡単にブリーフケースに納めることができ、真に携帯用である。携帯用パーソナル・コンピュータのサイズ縮小は、出張者にとって恩恵であったが、問題がないわけではなかった。
【0003】
こうした問題の1つが、コンピュータまたは他の電子装置が小さくなるにつれて、コンピュータまたは他の電子装置に含まれる部品の多くも、小さくしなければならないということである。電子装置と共に縮小された部品の例には、回路要素、ハードディスク記憶装置及びスピーカがある。回路要素及びハードディスク記憶装置のサイズ縮小は、これらの分野における技術的進歩のおかげで、もっと大きいサイズで以前に得られた以上の機能性がさらに小さいサイズにおいて得ることが可能になったので、大した問題ではなかった。
【0004】
他方では、スピーカのサイズ縮小によって、より深刻な問題が生じた。スピーカが小さくなるにつれて、スピーカが扱うことの可能な最大パワーも小さくなり、このため、スピーカが発生し得る音量が小さくなり、音質が劣化する可能性がある。さらに、小型スピーカの低周波レスポンスは、低周波数におけるスピーカのコイルの物理的動きのため、スピーカが扱うことの可能な最大パワーとトレード・オフが必要になる。小型スピーカの低パワー及び不十分な低周波レスポンスは、今日のサウンド集約形マルチメディア・アプリケーションを実行する場合のように、音響が重要になる、今日の携帯用コンピュータ及び他の電子装置においては全く許容することができない。
【0005】
この問題を解決するための先行技術による試みの1つが、Weberに対して付与された米国特許第4,727,583号に開示されている。この特許には、電話の受話器のハウジングに納められた薄いスピーカが開示されており、ここでは、スピーカのキャビティには、スピーカ/ハウジングの組み合わせの共振周波数をほぼスピーカの自由空気カットオフ周波数まで動かすような寸法が付与されている。この結果生じるレスポンスは、そのカットオフポイント周波数よりも下では約6db/オクターブで低下する。通常の所望の可聴範囲においてほぼフラットな周波数レスポンスを得るため、6db/オクターブで利得が増大する増幅器が信号入力経路に配置される。Weberの装置はこの低い側の周波数範囲を拡大するように見えるが、この結果を実現するには余分な回路要素が必要になり、従って、望ましくないことには、電子装置のサイズが大きくなり、コストが上昇する。
【0006】
比較的低い周波数の音響の前面と背面間での相殺は、大形で独立した可動ダイアフラムを備えるラウドスピーカの基本的な問題である。大形の独立したラウドスピーカの設計者は、通常、スピーカの背面からの音響をある体積の空気内に密封することによってこの問題を処理する。もう1つの一般的なアプローチは、1950年代の後期以降に、大形で独立したラウドスピーカの動作はラウドスピーカの背面からの位相を補正した音響用にベントまたは開口を設けると向上するという理論化を行ったJames F. Novac、A.N.Thiele及びRichard H. Smallの初期研究に従ったものである。以下の論文はその研究を代表するものである:
1. James F. Novak, Performance of Enclosures for Low-Resonance High-Compliance Loudspeakers. IRE Transactions in Audio. Vol. AU-7, pp. 5-13 (Jan-Feb 1959)
2. N. Thiele, Loudspeakers in Vented Boxes: Part I. Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 19, No. 5, pp382-392(May 1971)
3. N. Thiele, Loudspeakers in Vented Boxes: Part II, Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 19, No. 6, pp471-483 (June 1971)
4. Richard H. Small, Simplified Loudspeaker Measurements at Low Frequencies, Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 20, No. 1, pp28-33 (Jan/Feb 1972)
5. Richard H. Small, Direct-Radiator Loudspeaker System Analysis, Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 20, No. 1, pp383-395 (June 1972)
6. Richard H. Small, Closed Box Loudspeaker Systems Part I: Analysis, Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 20, No. 10, pp798-808 (December 1972)
7. Richard H. Small, Closed Box Loudspeaker Systems Part II: Synthesis, Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 21, No. 1, pp11-18 (Jan/Feb 1973)
8. Richard H. Small, Vented Box Loudspeaker Systems Part I: Small-Signal Analysis, Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 21, No. 5, pp363-372 (June 1973)
9. Richard H. Small, Vented Box Loudspeaker Systems Part II: Large-Signal Analysis, Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 21, No. 6, pp438-444 (July/August 1973)
10. Richard H. Small, Vented Box Loudspeaker Systems Part III: Synthesis, Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 21, No. 7, pp549-554 (September 1973)
11. Richard H. Small, Vented Box Loudspeaker Systems Part IV: Appedices, Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 21, No. 8, pp635-639 (October 1973)
【0007】
これらの研究者の著作は、その理論を大形の独立したラウドスピーカに実際に用いることを企図したものであるが、これらの理論が携帯用電子装置に収容される小型スピーカに実際にどのようにして適用できるか、また適用できるか否かすら考慮してはいなかった。かくして、同様に、小型携帯用電子装置の設計者は、これらの研究者による理論が携帯用電子装置に収容される小型スピーカに実際にどのようにして適用できるか、また適用できるか否かすら、全く考えもしていなかった。
【0008】
【課題を解決するための手段】
携帯用パーソナル・コンピュータのような携帯用電子装置が、開口付きスピーカ・エンクロージャを備えている。開口付きスピーカ・エンクロージャには、前面部分と背面部分を備えたスピーカが設けられており、スピーカの前面部分は携帯用電子装置の上部表面部材に面し、スピーカの背面部分は、開口付きスピーカ・エンクロージャに収容されていて、背面部分は開口付きスピーカ・エンクロージャの底部表面に面する。携帯用電子装置の上部表面部材と開口付きスピーカ・エンクロージャの底部表面との間にガスケットのような遮音材が配置されており、これにより、遮音材の一方の側に1つのチャンバ部分が形成され、遮音材のもう一方の側にもう1つのチャンバ部分が形成されている。遮音材は、音響が第1チャンバ部分から第2チャンバ部分に進行できるようにするギャップを備えている。携帯用電子装置の上部表面部材にある第1の開口部によって、スピーカの前面部分から音波を放出することが可能になる。携帯用電子装置の上部表面部材にある第2の開口部によって、第1チャンバ部分及び第2チャンバ部分を介して、スピーカの背面部分から音波を放出することが可能になる。スピーカの前面部分からの音波とスピーカの背面部分からの音波は、第1及び第2の開口部から放出されるとき、互いにほぼ同相になる。
【0009】
【実施例】
図1には、従来の密封形スピーカ・エンクロージャを利用した携帯用電子装置が示され、図2には、該携帯用電子装置の一部に関する分解図が示されている。携帯用コンピュータ10(ここでは、ヒューレット・パッカードOmniBook 4000(ヒューレット・パッカード社の登録商標)ラップ・トップ・コンピュータとして示されている)は、この場合、上部表面部材14として示された第1表面部材に含まれる開口部12を備えている。携帯用コンピュータ10は、ディスプレイ11及びキーボード13も備えている。スピーカ15(図2)は、開口部12のすぐ下に取り付けられるので、スピーカ15の前面部分18からの音響は上部表面部材14の開口部12を介して放出される。スピーカ15の背面部分19からの音響は底部エンクロージャ表面16と上部表面部材14の間に閉じ込められる。スピーカ15の背面部分19からの音響は、閉じ込められるので、スピーカ15の前面に回り込んでスピーカ15の前面部分18から生じる低周波音響をキャンセルすることはできない。従って、スピーカ15は、底部エンクロージャ表面16と表面部材14の間の空気がエア・サスペンション・システムにおけるバネの働きをする、密閉形エンクロージャに納められているものとみなされる。
【0010】
スピーカ15に供給可能な最大パワーは、スピーカ15のダイヤフラムの最大偏位によって決まる。A. N. Tieleの発見によれば、密閉形エンクロージャに納めたスピーカ・ダイヤフラムの最大偏位は、スピーカの共振周波数において発生する。密閉形エンクロージャに取り付けられるスピーカ15に関して一般的な、共振周波数が356Hzのスピーカでは、このスピーカの最大パワーは一般に約0.2ワットである。
【0011】
図3には本発明の望ましい実施例の携帯用電子装置が示され、図4にはこの携帯用電子装置の一部に関する分解図が示されている。望ましい実施例では、携帯用コンピュータ100は、ここで解説され示される修正を加えた図1に示すヒューレット・パッカードOmniBook 4000(ヒューレット・パッカード社の登録商標)ラップ・トップ・コンピュータである。図1の携帯用コンピュータ10と同様、携帯用コンピュータ100は上部表面部材140に開口部12を含んでいる。しかし、図1の携帯用コンピュータ10とは異なり、携帯用コンピュータ100は、上部表面部材140に第2の開口部としての開口部110、も含んでいる。望ましい実施例では、上部表面部材140は携帯用コンピュータ100のキーボード用パーム・レストである。パーム・レストの下の部分は通常充分に活用されていないので、ここは開口部12及び110を配置するのに都合のよい場所である。開口部110の働きについては以下で更に詳述する。図2のスピーカと同様、スピーカ150(図4)は、開口部12のすぐ下に取り付けられるので、スピーカ150の前面部分180からの音響は上部表面部材140の開口部12を介して放出される。望ましい実施例では、スピーカ150の前面部分180は上部表面部材140と接している。図2のスピーカ15とは異なり、スピーカ150の背面部分190からの音響は底部エンクロージャ表面160と上部表面部材140の間に閉じ込められることはない。その代わり、底部エンクロージャ表面160と上部表面部材140との間の壁面121〜124内の領域によって、開口付きスピーカ・エンクロージャ120が形成される。開口付きスピーカ・エンクロージャ120と上部表面部材140は、次に説明するやり方で、スピーカ150の背面部分190から放出される音波と、スピーカ150の前面部分180からの音波がほぼ同相になるように設計されている。
【0012】
スピーカ150以外に、開口付きスピーカ・エンクロージャ120には、遮音材200も含まれている。望ましい実施例では、遮音材200は柔らかい弾性のガスケット材料であるが、他の材料を用いることも可能である。遮音材200は上部表面部材140と底部エンクロージャ表面160の間に配置されて、開口付きスピーカ・エンクロージャ120をチャンバ210と220に分割する。遮音材200は、壁面122から壁面124まで延びるのではなく、壁面124の手前で終わり、ギャップ215が残される。遮音材200のギャップ215によって、スピーカ150の背面部分190からの音響が第1チャンバ210から遮音材200のギャップ215を通って第2チャンバ220に進み、その後、上部表面部材140の開口部110を通って出ていくことができる。開口付きスピーカ・エンクロージャ120の第1チャンバ部分210によって、スピーカ150の背面部分190からの音響に音響コンプライアンスがもたらされ、第2チャンバ部分220によって、スピーカ150の背面部分190からの音響に音響質量が付与される。この場合、チャンバ部分210及び220は、スピーカ150の背面部分190から生じる音波を遅延させるので、この音波は、上部表面部材140の開口部12を介してスピーカ150の前面部分180から放出される音波とほぼ同相になってから上部表面部材140の開口部110から放出される。
【0013】
開口付きスピーカ・エンクロージャ120の設計は、スピーカ150として選択されるスピーカの2つの特性、すなわち共振周波数(fs)と等価音響コンプライアンス(Vas)に大いに左右される。望ましい実施例では、スピーカ150は日本のシャープ社製のJSR−36M1スピーカである。このスピーカの共振周波数は約356Hzである。この特性は、スピーカ・メーカから得ることもできるし、あるいは、Thiele及びSmallによれば共振周波数の正確な表示が得られるところの、スピーカの最大インピーダンス点を測定することによって求めることも可能である。Vasは、スピーカ・メーカから得ることもできるし、あるいは、Thiele及びSmallの教示に従い、当業者には既知のやり方で製作されたテスト・ボックスにスピーカをはめ込み、テスト・ボックス内と自由空気内におけるスピーカの共振周波数を測定し、更に、下記の公式に従ってVasを計算することによって求めることもできる:
【0014】
【数1】
【0015】
fs及びVasが求められると、以下の式から音響コンプライアンスの体積(第1チャンバ部分210)を計算することができる:
【0016】
【数2】
【0017】
Cas/Cab、すなわち(ドライバのサスペンションの音響コンプライアンス)/(エンクロージャ内の空気の音響コンプライアンス)は、Thieleのアライメント表(参考文献2、p388)を参照することによって求めることができる。(準4次高域通過バタウォース・フィルタと等価である)スピーカ150にはThieleのアライメント数3、QB3があてはまる。QB3に関して、Thieleのアライメント表の関連する部分を以下に再録する:
【0018】
【表1】
【0019】
上のアライメント表を用いると、式(3)は、次のようになる:
【0020】
【数3】
【0021】
Vasに3.19in3を代入すると、
【0022】
【数4】
【0023】
第2チャンバ部分220の長さ及び表面積は、以下の式から求めることができる:
【0024】
【数5】
【0025】
Thieleのアライメント表を用いると、fb=504.096であることが分かるので、
【0026】
【数6】
【0027】
Svについて都合の良いサイズ=0.078in2を選択し、末広がり形状の開口(flared port)に関する終端の補正係数を適用すると、
【0028】
【数7】
【0029】
【数8】
【0030】
上述のように、スピーカに供給可能な最大パワーは、スピーカのダイヤフラムの最大偏位によって決まり、ダイヤフラムの最大偏位は、スピーカがエア・サスペンション・システムに取り付けられている場合、スピーカの共振周波数で起こる。しかし、開口付きスピーカ・エンクロージャ200のスピーカ150の場合のように、スピーカが開口付きスピーカ・エンクロージャに取り付けられると、Thieleが結論付けたように、ダイヤフラムの理論的偏位は共振周波数においてゼロになる。開口付きエンクロージャに取り付けられたスピーカのこの特性を利用すれば、スピーカ15と比較してスピーカ150に入力されるパワーを理論的には無限に増大させることができるが、実際上の限界によって最大パワーが制限される。エンクロージャ200に示すスピーカ150では、最大パワーは約0.8〜1.8ワットである。これはスピーカ15の0.2ワットの最大パワーに対して性能面での大きい増大である。この性能の増大によって、マルチメディア用途のような音響が重要な用途において、携帯用コンピュータ装置100を携帯用コンピュータ装置10よりもはるかに有効にすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の密閉形スピーカ・エンクロージャを利用した携帯用電子装置を示す図である。
【図2】図1の携帯用電子装置の一部の分解図である。
【図3】本発明の望ましい実施例の携帯用電子装置を示す図である。
【図4】図3の携帯用電子装置の一部の分解図である。
【符号の説明】
10:携帯用コンピュータ
11:ディスプレイ
12:アパーチャ
13:キーボード
14:上部表面
15:スピーカ
16:底部エンクロージャ表面
18:前面部分
19:背面部分
100:携帯用コンピュータ
110:アパーチャ
120:開口付きスピーカ・エンクロージャ
121:壁面
122:壁面
123:壁面
124:壁面
140:上部表面
150:スピーカ
160:底部エンクロージャ表面
180:前面部分
190:背面部分
200:遮音材
210:チャンバ部分
215:ギャップ
220:チャンバ部分
Claims (13)
- 表面部材及び開口付きスピーカ・エンクロージャを有する携帯用電子装置であって、前記開口付きスピーカ・エンクロージャが、
前面部分と背面部分を有するスピーカであって、前記前面部分が前記表面部材に面し、前記背面部分が前記開口付きスピーカ・エンクロージャの底部表面に面する、スピーカと、
遮音材であって、前記携帯用電子装置の前記表面部材と前記開口付きスピーカ・エンクロージャの前記底部表面との間に配置され、前記遮音材の一方の側に第1チャンバ部分が形成され、前記遮音材の他方の側に第2チャンバ部分が形成され、さらに前記第1チャンバ部分から前記第2チャンバ部分に音波が進行できるようにするギャップを有し、前記第1チャンバ部分は第1チャンバ容積を有し、前記第2チャンバ部分は第2チャンバ断面積及び第2チャンバ長を有するように構成される、遮音材と、
前記スピーカの前面部分から音波を放出できるようにする前記表面部材に設けられた第1の開口部と、
前記第1チャンバ部分及び前記第2チャンバ部分を介して前記スピーカの背面部分から音波を放出できるようにする、前記表面部材に設けられた第2の開口部と、を備え、
前記スピーカの前記前面からの前記音波と前記スピーカの前記背面からの前記音波が前記第1の開口部及び前記第2の開口部から放出されるとき、互いにほぼ同相になる、ことを特徴とする携帯用電子装置。 - 前記第1チャンバの容積が、前記スピーカの共振周波数と前記スピーカの等価音響コンプライアンスによって決まることを特徴とする請求項1に記載の携帯用電子装置。
- 前記第2チャンバ断面積が、前記スピーカの共振周波数と前記スピーカの等価音響コンプライアンスによって決まることを特徴とする請求項1に記載の携帯用電子装置。
- 前記第2チャンバ長が、前記スピーカの共振周波数と前記スピーカの等価音響コンプライアンスによって決まることを特徴とする請求項1に記載の携帯用電子装置。
- 前記携帯用電子装置が携帯用コンピュータであることを特徴とする請求項1に記載の携帯用電子装置。
- 前記携帯用電子装置の前記表面部材がパーム・レストであることを特徴とする請求項1に記載の携帯用電子装置。
- 前記第1チャンバの容積が0.75立方インチ未満であることを特徴とする請求項2に記載の携帯用電子装置。
- 前記第2チャンバ断面積が0.08平方インチ未満であることを特徴とする請求項3に記載の携帯用電子装置。
- 前記第2チャンバ長が1.8インチ未満であることを特徴とする請求項4に記載の携帯用電子装置。
- 前記スピーカの最大パワーが0.8ワットを超えることを特徴とする請求項1に記載の携帯用電子装置。
- 前記遮音材がガスケットであることを特徴とする請求項1に記載の携帯用電子装置。
- ディスプレイ、キーボード、パーム・レスト、及び開口付きスピーカ・エンクロージャを有する携帯用コンピュータであって、前記開口付きスピーカ・エンクロージャが、
前面部分と背面部分を有するスピーカであって、前記前面部分が前記パーム・レストに面し、前記背面部分が開口付きスピーカ・エンクロージャの底部エンクロージャ表面に面する、スピーカと、
遮音材であって、前記パーム・レストと前記開口付きスピーカ・エンクロージャの前記底部エンクロージャ表面との間に配置され、前記遮音材の一方の側に第1チャンバ部分が形成され、前記遮音部材の他方の側に第2チャンバ部分が形成され、さらに前記第1チャンバ部分から前記第2チャンバ部分に音波が進行できるようにするギャップを有し、前記第1チャンバ部分は前記スピーカの共振周波数と前記スピーカの等価音響コンプライアンスによって決まる第1チャンバ面積を有し、前記第2チャンバ部分は前記スピーカの共振周波数と前記スピーカの等価音響コンプライアンスによって決まる第2チャンバ断面積及び第2チャンバ長を有するように構成される、遮音材と、
前記スピーカの前面部分から音波を放出できるようにする、前記パーム・レストに開設された第1の開口部と、
前記第1チャンバ部分及び前記第2チャンバ部分を介して前記スピーカの背面部分から音波を放出できるようにする、前記パーム・レストに開設された第2の開口部と、を備え、
前記スピーカの前記前面からの前記音波と前記スピーカの前記背面からの前記音波が前記第1の開口部および前記第2の開口部から放出されるとき、互いにほぼ同相になる、ことを特徴とする携帯用コンピュータ。 - 前記遮音材がガスケットであることを特徴とする請求項12に記載の携帯用コンピュータ。
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