JP4059259B2 - スピーカシステムおよびスピーカエンクロージャー - Google Patents

Description

本発明は、スピーカシステムおよびスピーカエンクロージャーの技術に関する。

スピーカシステムには、種々のタイプのものが開発されており、例えば、バスレフやドローンコーンを用いたものがその代表である。
バスレフは、ヘルムホルツ共鳴を利用して低音を増強するものであり、ドローンコーンは駆動回路のないスピーカユニットを取り付け、エンクロージャーの容積内の空気との共振を利用して低音を増強するものである。

バスレフにおいては、エンクロージャーの容積が小さい場合、共振周波数を低くするには、共鳴管を小型で細長くしなければならず、空気抵抗が大きくなって低音増強機能が著しく低下し、また、共鳴管を通過する空気の速度が非常に速くなるために笛のような風切り音が発生するという問題がある。

また、ドローンコーンの場合は、共振周波数を低くするには、その質量を大きくしなければならない。そして、共振周波数を下げるためには、振動板を支持するエッジのコンプライアンスが大きくなければならないが、質量の大きな振動板を支持するためにはエッジのバネ性や強度は大きくなければならず、コンプライアンスと相反することになる。また、重い振動板が完全に平行に振動することは難しく、ローリングやロッキングと呼ばれる異常振動を伴い易い。この異常振動は、歪みを増加させ無駄なエネルギーを消費して、効率を低下させる。

上述したドローンコーンの欠点を補うために、例えば、特表２００２−５３１０３６号公報などが提案されている。この方式によれば、ローリングやロッキングは防止することができるが、振動板（フラップ）の重量をその周囲に設けられたエッジで支える構造であるため、エッジに強度が必要になり、その制動効果により振動のＱが小さくなるという問題がある。
特表２００２−５３１０３６号公報

上記課題を解決するため、本発明は、小型であっても充分な低音成分を出力することができ、ローリングやロッキングを防止するとともに振動板の振動のＱも大きくすることができるスピーカシステムおよびスピーカエンクロージャーを提供することを目的とする。

本願発明によるスピーカシステムは、内部が密閉されたスピーカエンクロージャーと、前記スピーカエンクロージャーに取り付けられたスピーカと、前記スピーカエンクロージャーの一面において一端が固定された状態で弾性により振動可能な振動板と、前記振動板が設けられた一面において、前記振動板の振動部位に対応する位置に設けられた開口部と、前記振動板と前記開口部の縁部との間に形成される空隙を、前記振動板の振動を可能にした状態で塞ぎ、前記スピーカエンクロージャーの気密性を保持する密閉部材とを具備することを特徴とする。
また、好ましい態様として、前記振動板および前記開口部が設けられる一面は、前記スピーカが取り付けられた面と同一の面としてもよい。
また、他の好ましい態様としては、前記開口部は、前記一面において、線で囲まれる平面図形の輪郭の一部を残して切り欠くように形成され、前記平面図形に対応する部分が前記振動板として機能するようにしてもよい。

本発明によるスピーカエンクロージャーは、スピーカが取り付けられるスピーカ取り付け穴を有した密閉型のスピーカエンクロージャーにおいて、前記スピーカエンクロージャーの一面に一端が固定された状態で弾性により振動可能な振動板と、前記振動板が設けられた一面において、前記振動板の振動部位に対応する位置に設けられた開口部と、前記振動板と前記開口部の縁部との間に形成される空隙を、前記振動板の振動を可能にした状態で塞ぎ、前記スピーカエンクロージャーの気密性を保持する密閉部材とを具備することを特徴とする。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態を説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、この発明の第１実施形態であるスピーカシステムの外観を示す斜視図であり、図２（ａ）および（ｂ）は、各々同実施形態の構成を示す側断面図および側面図である。
図１において、１０は、ボイスコイル、マグネット等を備えたスピーカであり、スピーカエンクロージャー２０の前面に取り付けられている。スピーカエンクロージャー２０は、直方体状の密閉型のエンクロージャーであり、６面とも板状の部材（例えば、木材、合成樹脂、金属もしくはそれらを張り合わせた合成材等）により形成されている。

図２（ａ）に示すようにスピーカエンクロージャー２０の前面のバッフル板２０ａには薄い板状の振動板３０が取り付けられている。振動板３０はスピーカエンクロージャー２０の前面と同じ大きさに形成され、スピーカエンクロージャー２０の前面全体を覆っている。振動板３０とバッフル板２０ａを貫通してスピーカ取付穴が設けられ、このスピーカ取付穴に前述したスピーカ１０が挿入されている。この場合、スピーカ１０の前面のフレームがネジにより振動板３０およびバッフル板２０ａに固定されている。

図２（ａ）に示すように、バッフル板２０ａは、スピーカエンクロージャー２０の前面の上半分だけに形成されている。また、スピーカエンクロージャー２０の底面２０ｃは、上面２０ｄよりやや短く形成され、同図に示すように前面側が前方にせり出すようにして上方に延びる前端部２０ｅとなっている。

また、図２（ａ），（ｂ）に示すように、スピーカエンクロージャー２０の側面２０ｆの前面側の下部は、バッフル板２０ａの下端から底面２０ｃの前端部２０ｅにかけて傾斜し、傾斜部２０ｇとなっている。
上述したバッフル板２０ａの下端、傾斜部２０ｇおよび前端部２０ｅの上縁によって囲まれた空間は、開口部２０ｂとなっている。上記構成においては、振動板３０の上部は、バッフル板２０ａに固定されているが、振動板３０の下部は開口部２０ｂに対向しているため片持ち梁のように自由端になっており、振動板３０の弾性によって自由に振動できるようになっている。なお、以下においては、振動板３０の下部を振動部位３０ａという。

この場合、振動板３０は、音響的に十分な強度と弾性とを併せ持つ部材で形成されている。ここで、「音響的に十分な強度」とは、空気を通さず、空気よりも十分大きな密度をもち、振動したときに音波を発生する強度と弾性を持つことを意味する。また、振動板３０は、それ自体で音波をある程度遮断できる性質を有する。
また、「弾性」の度合いは、この振動板３０の一辺を固定して水平に置いたときに自重を支えてほぼ水平に保つことができる程度である。このような特性を満足させるために、振動板３０は、例えば薄い木の板、薄い合成樹脂、金属の板もしくはそれらを張り合わせた合成材等からなる。

次に、４０は、振動板３０の振動部位３０ａの外周縁と開口部２０ｂの縁部との間に設けられ、スピーカエンクロージャー２０の気密性を保持するエッジである。この場合、エッジ４０は振動部位３０ａの側縁と傾斜部２０ｇとの間では、スピーカエンクロージャー２０の内部空間側に突出して折れ曲がる部分が縦方向に延びている（以下、折れ部４０ａという）。また、エッジ４０は、振動部位３０ａの下端縁と前端部２０ｅとの間では、スピーカエンクロージャー２０の内部空間側に突出して折れ曲がる部分が水平方向に延びている（以下、折れ部４０ｂという）。

ここで、図３は、振動板３０を取り外した状態のスピーカエンクロージャー２０の正面図である。図３でハッチングを示した部分がエッジ４０であり、このエッジ４０においてスピーカエンクロージャー２０の内部空間側に突出している部分が折れ部４０ａおよび４０ｂである。また、図４はスピーカエンクロージャー２０の底面図であり、図５は図３に示すＡ−Ａ線断面図である。

図３に示すエッジ４０の外周縁部は、振動板３０の振動部位３０ａの外周縁部に接着され、これにより、スピーカエンクロージャー２０の気密性が保持される。また、エッジ４０の折れ部４０ａ、４０ｂが自由に折れ曲がることにより、振動部位３０ａの振動は妨げられることなく、自由振動となる。なお、スピーカエンクロージャー２０の背面にはスピーカ１０のボイスコイルに接続されたスピーカ端子が設けられているが、図２（ａ），（ｂ）では省略してある。

上述した構成において、スピーカ１０が駆動されると、スピーカ１０のコーン紙の振動がスピーカエンクロージャー２０内の空気に伝搬され、この空気の振動によって振動板３０の振動部位３０ａが振動する。このとき、エッジ４０で気密性を保持された状態で振動する振動板３０は、振動したときにスピーカエンクロージャー２０内の空気容積を圧縮または伸張させる。したがって、振動板３０の弾性に加えてスピーカエンクロージャー２０の空気バネも加わったコンプライアンス（機械的可とう性）と振動板３０の等価質量との間で新たな共振周波数を持つようになる。この結果、振動板３０の共振周波数を中心に再生される音が生じる。

ここで空気バネと振動板３０の弾性（バネ性）は、等価的に２つのバネが並列に接続されているように機能するが、空気バネの方が振動板３０のバネよりもコンプライアンスが小さいので、スピーカシステムとしての振動板３０の共振周波数はほぼ空気のコンプライアンスと振動板３０の等価質量で決まる。

以上のようにして決定される共振周波数は、容易に低音領域の所望値にすることができる。例えば、スピーカ１０に有効直径８ｃｍ、最低共振周波数７０ｚ、Ｑ＝０．３５のスピーカを用い、スピーカエンクロージャー２０の内容量を３．５リッターとした場合に、振動板３０の質量を１３５グラムとすると振動板の共振周波数を５０Ｈｚとすることができる。

ここで、図６（ａ）は上述した具体例の場合のスピーカ１０の周波数特性であり、図６（ｂ）は振動板３０の周波数特性である。この図で明らかなように、本実施形態において上述の数値を設定した場合は、５０Ｈｚ付近が強調された低音を強く出力することができる。このように、本実施形態においては、振動板３０の曲げ振動を利用することによって、ドローンコーンのようなパッシブラジエターとしての作用が得られる。

また、振動部位３０ａは、「うちわ」のように全体がしなりながら振動する１次振動モードで低音再生を行う。なぜなら、振動板３０には２次や３次またはそれ以上の振動モードも存在しているが、空気で振動板３０全体が駆動されるため１次振動モードが最も強く発生し、それ以外の振動モードの発生レベルは小さくなるからである。また、高次モードをさらに抑えたい場合は、振動板３０の材質や厚さまたは複数の材料の張り合わせなどで調整が可能である。

なお、本実施形態においては、振動板３０は、自重を十分支えられる程度の弾性を持っているので、振動板３０を水平に置いてもそれ自身で水平を保持できる。また、振動板３０自身の弾性が自由共振のコンプライアンスになるが、弾性を持った振動板３０の内部損失は同じ弾性を持たせたエッジ４０の内部損失より遥かに小さいため振動時の損失は十分小さい。

また、本実施形態におけるエッジ４０は、従来のドローンコーン等に用いられるエッジに較べ柔らかな材質とすることができ、また、機械的な強度も必要ない。従来のドローンコーン等のパッシブラジエターにおいては、剛体の振動板をエッジで支えるという構造が必要であるため、エッジは振動板の支持と気密性の確保という２つの機能を持っていた。しかし、本実施形態においては、振動板３０の支持機能を振動板３０自体に持たせているので、エッジ４０に支持機能は必要でない。そのため、エッジ４０は、スピーカエンクロージャー２０内の気密性を保持できれば足りるから、従来にない柔らかな材料を用いることができ、振動板３０の振動を阻害しない状況を作ることができ、振動のＱを大きくすることができる。
また、振動板３０の共振周波数は、振動板３０の質量を大きくすることで下げることができる。すなわち、振動板３０の大きさや材質などによっても調整が可能であり、振動板３０に何らかの部材を貼り付けることによっても容易に調整が可能である。

ここで、等価回路を用いて本件発明と従来技術との差異について説明する。図７はスピーカの電気等価回路である。ボイスコイルインピーダンスを介してＣｍｅｓ、Ｒｅｓ、Ｌｃｅｓで構成される低域共振回路（共振周波数＝Ｆ０）が電圧駆動される構成を持っている。
ここで、
Ｒｅ＝ボイスコイル直流抵抗
Ｌｅ，Ｌ２，Ｒ２＝高域インピーダンス上昇要素
Ｃｍｅｓ＝スピーカ振動系の等価質量容量
Ｌｃｅｓ＝スピーカ振動系の等価コンプライアンスインダクタンス
Ｒｅｓ＝スピーカ振動系のメカニカル制動抵抗
である。

図８はスピーカエンクロージャーの等価回路であり、Ｌｖｅ＝等価容積インダクタンスである。
図９は、従来のドローンコーンやヒンジ固定フラップなどのパッシブラジエターの等価回路である。図示のように、スピーカからボイスコイルのファクターを無くした回路構成を持つ。質量Ｃｍｅｐは、エッジの持つコンプライアンスＬｃｅｐと制動抵抗Ｒｅｐで支えられている。
ここで、
Ｃｍｅｐ＝パッシブラジエターの等価質量容量
Ｌｃｅｐ＝パッシブラジエターの等価コンプライアンスインダクタンス
Ｒｅｐ＝パッシブラジエターのメカニカル制動抵抗
である。図１０は従来のパッシブラジエターシステムの等価回路である。信号電圧がスピーカを駆動し、スピーカの音響出力がスピーカエンクロージャー容積を介してパッシブラジエターを駆動する。

システムとしての低域共振周波数は、ほぼＣｍｅｐとＬｖｅの共振周波数になる。少ない容積で共振周波数を下げるには、Ｃｍｅｐを大きくする必要があり、これはパッシブラジエターが重くなることを意味する。重いパッシブラジエターを支えるには、丈夫で強度のあるエッジが必要になる。一方、エッジには柔軟性が要求されるため、ゴムやウレタンなどの柔らかい材料が使われるが、強度を上げるには厚くする必要がある。しかし、エッジを厚くするということは、等価コンプライアンスＬｃｅｐを下げると同時に制動力も大きくするということになる（電気等価回路において表現すれば抵抗値Ｒｅｐが下がるということになる）。このため、パッシブラジエターのロスが大きくなり、低音の再生能力が下がってしまう。

図１１は本願発明にかかる振動板の等価回路である。振動板は一辺が完全に固定されているため振動板自身がコンプライアンスＬｃｅｂを持ち自重を支えている。振動板は弾性体で作られているので、エッジ材料のような抵抗成分は無視できる。エッジは振動板の自重を支える必要がないため薄い材料で良く、コンプライアンスＬｃｅｘを非常に大きくすることができ、これにより必然的にロスも非常に小さくなる（電気等価回路において表現すれば制動抵抗Ｒｅｘが大きくなる）。
図１１において、
Ｃｍｅｂ＝振動板の等価質量容量
Ｌｃｅｂ＝振動板の等価コンプライアンスインダクタンス
Ｌｃｅｘ＝振動板エッジの等価コンプライアンスインダクタンス
Ｒｅｘ＝振動板エッジのメカニカル制動抵抗
である。図１２は本件発明におけるスピーカシステムの等価回路である。図１０と比較した場合、スピーカとスピーカエンクロージャー容積を同じとすると、
Ｃｍｅｐ＝Ｃｍｅｂ
とすれば、低域の共振周波数も同じになる。この重量を支えるコンプライアンスも同等のものが必要になるが、図１０ではＬｃｅｐであり、図１２ではＬｃｅｘ＞＞Ｌｃｅｂであるから、ほとんどＬｃｅｂとなり、適切な設計をすればほぼ
Ｌｃｅｐ＝Ｌｃｅｂ
となる。ここまでのファクターに大きな差異はない。しかし、ここまでの説明で明らかなように、
Ｒｅｘ＞＞Ｒｅｐ
となることが、本願発明の重要な特徴であり、これにより従来方式に較べてロスが大幅に少なくなり、低音再生が有利になることが分かる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態を説明する。図１３は、この発明の第２実施形態の外観を示す斜視図である。図１３に示す５０は、直方体状のスピーカエンクロージャーであり、前面のバッフル板５０ａの上部にスピーカ１０が取り付けられている。バッフル板５０ａの中央部から下部にかけてＵ字状に細長く切り欠かれた開口部６０が設けられている。

この場合、Ｕ字状の内側の部分が振動板５１として機能する。すなわち、振動板５１の上部はバッフル板５０ａと一体であり、それ以外の部分はＵ字形状の開口部６０によってバッフル板５０ａから切り離されているから、振動板５１はその上端が固定された状態で自由に振動可能である。

また、図１４の（ａ）および（ｂ）は、各々同実施形態の側断面図および横断面図である。これらの図に示すように、開口部６０は断面がアーチ状のエッジ７０によって、スピーカエンクロージャー５０の内側から覆われ、これによりスピーカエンクロージャーの気密性が保持されている。図１５はバッフル板５０ａの背面を示す図であり、エッジ７０は図示のように、Ｕ字状の開口部６０をその形状に沿って覆っている。

本実施形態の振動板５１は、その一辺がバッフル板５０ａと連通して固定端となっているから、振動板５１はそれ自体が支持機能を有している。そのため、エッジ７０は振動板５１の重量を支える必要がなく、気密性を保つ機能のみを持てばよい。したがって、柔らかい材料を使うことができ、振動板５１の振動を抑制しない動き易い状況を作ることができる。本実施形態の動作は、前述した第１実施形態と同様であり、振動板５１の共振周波数付近の帯域（低音帯域）が増強される。

なお、本実施形態においては、開口部６０をスピーカエンクロージャー５０の内側からエッジ７０によって覆ったが、図１６に示すようにスピーカエンクロージャー５０の表側から覆うようにしてもよい。なお、図１６は図１４（ｂ）に対応する横断面図である。
また、第２実施形態では、スピーカエンクロージャーのスピーカが設けられている面に開口部を設けて振動板を形成するようにしたが、振動板を形成する（開口部を設ける）位置はこれに限定されるものではなく、スピーカエンクロージャーの壁面であればどのような位置であってもよい。

図１７は、振動板の形成位置の一例を示す図であり、図１７の（ａ）は、スピーカシステムの外観を示す斜視図である。図１７の（ｂ）は、同変形例を背面から見た斜視図であり、図１７の（ｃ）は、側断面図である。これらの図に示すように、この例においては、開口部６０がバッフル板５０ａと対向する面、すなわちスピーカエンクロージャー５０の背面に設けられている。

＜変形例＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、他の様々な形態で実施可能である。以下にその一例を示す。
（１）第２実施形態のように細長い開口部を作る場合は、Ｕ字状に限らない。要するにスピーカエンクロージャーの任意の面において、線で囲まれる平面図形を想定し、その輪郭の一部を残して切り欠くように形成すればよい。このように形成することで、前記平面図形に対応する部分が振動板として機能する。例えば、図１８の（ｂ）にスピーカシステムの外観を示すが、図示のようにバッフル板５０ａの下部全体を振動板５１として構成するように開口部６０を形成してもよい。なお、同図（ａ）はこの場合の側断面図である。

（２）図１９に示す例は、縦長のスピーカエンクロージャー８０のバッフル板８０ａにツイータとウーファーと取り付け、その下部に振動板８１を形成した例である。図１９の（ａ）は正面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）は背面図である。図示の場合において、有効直径８ｃｍ、最低共振周波数７０Ｈｚのスピーカを内容積３．５リッターのスピーカエンクロージャーに収め、共振版の共振周波数を５０Ｈｚに調整することで４０Ｈｚ（−１０ｄＢ）からの低音再生が可能である。

（３）図２０に示す例は、スピーカエンクロージャー８５のバッフル板８５ａに水平方向に２つのスピーカを取り付け、バッフル板８５ａの下部を振動板８６として構成したものである。図２０の（ａ）は正面図、（ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。図示の場合において、有効直径３ｃｍ、最低共振周波数１９０Ｈｚのスピーカ２個を４００ｃｃのスピーカエンクロージャーに収め、共振版の共振周波数を１２０Ｈｚに調整することで１００Ｈｚ（−１０ｄＢ）からの低音再生が可能である。

（４）図２１に示す例は、角度を持たせて接合した２つのバッフル板９０ａ、９０ｂに各々一つのスピーカを取り付け、スピーカエンクロージャー９０の背面に振動板９１を形成した例である。なお、図２１の（ａ）は正面図、（ｂ）は背面図、（ｃ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線断面図、（ｄ）は（ｃ）に示すＢ−Ｂ線断面図である。図示の場合において、有効直径３ｃｍ、最低共振周波数１９０Ｈｚのスピーカ２個を４００ｃｃのスピーカエンクロージャーに収め、振動板の共振周波数を１２０Ｈｚに調整することで１００Ｈｚ（−１０ｄＢ）からの低音再生が可能である。

（５）図２２に示す例は、スピーカエンクロージャー１００の左右の側面に各々スピーカを取り付け、その前面に振動板１０１を形成した例である。なお、図２２の（ａ）は背面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。図示の場合において、有効直径３ｃｍ、最低共振周波数１９０Ｈｚのスピーカ２個を３００ｃｃのスピーカエンクロージャーに収め、振動板の共振周波数を１２０Ｈｚに調整することで１００Ｈｚ（−１０ｄＢ）からの低音再生が可能である。

（６）また、上述した各実施形態で示したように、開口部の位置は、振動板の振動部位に対応する位置に設けられる。すなわち、振動板の背後や周囲などに設けられ、振動を可能にするように形成すればよい。

本発明の第１実施形態であるスピーカシステムの外観を示す図である。 同実施形態の内部構成を示す図である。 同実施形態において振動板を外した状態を示す正面図である。 同実施形態の底面図である。 図３に示すＡ−Ａ線断面図である。 同実施形態の周波数特性を示すグラフである。 スピーカの電気等価回路である。 スピーカエンクロージャーの電気等価回路である。 従来のパッシブラジエターの等価回路である。 従来のパッシブラジエターシステムの等価回路である。 本願発明にかかる振動板の等価回路である。 本願発明にかかるスピーカシステムの等価回路である。 第２実施形態の外観を示す斜視図である。 同実施形態の内部構造を示す図である。 同実施形態のバッフル板５０ａの背面を示す図である。 同実施形態の変形例を示す図である。 同実施形態の他の変形例を示す図である。 本発明の他の実施形態を示す図である。 本発明の他の実施形態を示す図である。 本発明の他の実施形態を示す図である。 本発明の他の実施形態を示す図である。 本発明の他の実施形態を示す図である。

符号の説明

１…スピーカシステム、１０…スピーカ、２０、５０、８０、８５、９０、１００…スピーカエンクロージャー、３０、５１、８１、８６、９１、１０１…振動板、４０、７０…エッジ、６０…開口部。

Claims (4)

1. 内部が密閉されたスピーカエンクロージャーと、
   前記スピーカエンクロージャーに取り付けられたスピーカと、
   前記スピーカエンクロージャーの一面において一端が固定された状態で弾性により振動可能な振動板と、
   前記振動板が設けられた一面において、前記振動板の振動部位に対応する位置に設けられた開口部と、
   前記振動板と前記開口部の縁部との間に形成される空隙を、前記振動板の振動を可能にした状態で塞ぎ、前記スピーカエンクロージャーの気密性を保持する密閉部材と
   を具備することを特徴とするスピーカシステム。
2. 前記振動板および前記開口部が設けられる一面は、前記スピーカが取り付けられた面と同一の面であることを特徴とする請求項１記載のスピーカシステム。
3. 前記開口部は、前記一面において、線で囲まれる平面図形の輪郭の一部を残して切り欠くように形成され、前記平面図形に対応する部分が前記振動板として機能することを特徴とする請求項１または２記載のスピーカシステム。
4. スピーカが取り付けられるスピーカ取り付け穴を有した密閉型のスピーカエンクロージャーにおいて、
   前記スピーカエンクロージャーの一面に一端が固定された状態で弾性により振動可能な振動板と、
   前記振動板が設けられた一面において、前記振動板の振動部位に対応する位置に設けられた開口部と、
   前記振動板と前記開口部の縁部との間に形成される空隙を、前記振動板の振動を可能にした状態で塞ぎ、前記スピーカエンクロージャーの気密性を保持する密閉部材と
   を具備することを特徴とするスピーカエンクロージャー。

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