JP4875733B2

JP4875733B2 - 可動磁石型スピーカおよびその製造方法

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Description

本発明は、動電型スピーカのうちの可動磁石型スピーカ、およびその製造方法に関するものである。

上記動電型スピーカの標準的な構成として、磁石および継鉄からなる磁気回路をフレームに固定するとともに、ボイスコイルが固定された振動板をフレームに対して振動可能に取り付けておき、ボイスコイルに音声電流を供給して駆動力を発生させることにより、磁石に対して振動板を振動させて音を出力する可動線輪型スピーカが知られている。

一般にスピーカの特性を表す指標として、供給された音声電流のうちで音エネルギーに変換された割合を示す「効率」が知られている。上記従来の可動線輪型スピーカの効率に関しては、例えば非特許文献１における８．４．３の効率の項に、以下のように解説されている。すなわち、従来の可動線輪型スピーカの効率ηは、振動板片側放射抵抗をＲ_ｓ、磁束密度をB、ボイスコイル巻線長をｌ、音の角周波数をω、ボイスコイル質量をｍ_ｃ、
ボイスコイル以外の振動系質量をｍ_ｄ、振動板片側付加質量をＭ_s、ボイスコイル電気抵抗をｒ_ｅとしたとき、数１のように示される。

数１においては、ボイスコイル巻線長ｌが、ボイスコイル質量ｍ_ｃに対して陰に依存しているため、このままでは効率ηとボイスコイル質量ｍ_ｃとの関係が明確でない。そこで、ボイスコイル密度をρ_ｃ、ボイスコイル巻線断面積をＳ、ボイスコイル導電率をκとするとともに、ｍ_ｃ＝ρ_ｃＳｌ、ｒ_ｅ＝ｌ／（κＳ）なる関係を使ってボイスコイル巻線長ｌを消去すると、数１は数２のように変形される。

したがって、最大効率は、数２の効率ηをボイスコイル質量ｍ_ｃで偏微分して得られた式の値が零となるときであり、すなわち、数３に示すように、ボイスコイル質量ｍ_ｃが、ボイスコイル以外の振動系質量ｍ_ｄと振動板付加質量２Ｍ_sとの和に等しい時に最大効率が得られる。

例えば、実際の口径１６ｃｍ程度の可動線輪型スピーカにおける一例を示せば、ｍ_ｃ＝２ｇ、ｍ_ｄ＝５ｇ、Ｍ_s＝１．７ｇ程度であり、これらの値と数３とを比較すると、ｍ_ｃ＝ｍ_ｄ＋２Ｍ_sであるよりも、むしろｍ_ｃ＜ｍ_ｄ＋２Ｍ_sとなっている。これは、ボイスコイル質量ｍ_ｃが大きくなると、磁極間隔が大きくなって磁束密度Ｂが減少するので、その減少分を補うために磁石を大きくする必要があるためである。また、高音の出力時に振動板が分割振動して実質的なｍ_ｄ＋２Ｍ_sの値が減少するためであると説明されている。

また、上記「効率」とは別にスピーカの特性を表す指標として、ボイスコイル巻線長の略二乗に比例する「ボイスコイルインダクタンス」が知られている。従来の可動線輪型スピーカのボイスコイルインダクタンスに関しては、非特許文献１における８．４．２の電気インピーダンス特性と等価回路の項に、一例が図示されている。それによれば、ボイスコイルの電気抵抗ｒ_ｅが約８Ωで音声電流の周波数が１０ｋＨｚのときに、インダクタンスｌ_ｅは約０．６ｍＨである。

この項に例示されたスピーカが一般的な全帯域用のものであると仮定すると、少なくとも１０ｋＨｚ程度の高音発生に支障とならないインダクタンスｌ_ｅは、０．６ｍＨ程度以下である必要がある。ボイスコイルの電気抵抗ｒ_ｅは８Ωに限定されるものではないから、ボイスコイルのインダクタンスｌ_ｅの評価はその生の値によってではなく、電気抵抗ｒ_ｅとの比で定義される電気的時定数τ_ｅ＝ｌ_ｅ／ｒ_ｅ、あるいは電気的時定数τ_ｅから導かれる交叉周波数ｆ_ｃ＝１／（２πτ_ｅ）によって評価されるべきものである。この例では、交叉周波数ｆ_ｃが略２ｋＨｚである。

さらに、動電型スピーカに使われる永久磁石磁気回路に関しては、例えば非特許文献２に解説されている。

動電型スピーカの別の構成として、上記可動線輪型スピーカに対して磁気回路とボイスコイルとを交換し、磁気回路が振動板に固定されるとともにボイスコイルがフレームに固定された構成である可動磁石型スピーカが知られている。例えば特許文献１〜３に、可動磁石型スピーカについて記載されている。

可動磁石型スピーカの利点は、可動線輪型スピーカと異なりボイスコイルが振動板に取り付けられていないため、ボイスコイルの錦糸線が振動板と一緒に常時振動して断線する虞がないことである。ところが、非特許文献３において、可動磁石型スピーカに関する記述がないことからも分かるように、可動磁石型スピーカは未だに一般的と言える状況にない。

特許第２９３６００９号公報特許第１２２３８２８号公報特許第３４２１６５４号公報

川村雅恭著「電気音響工学概論」昭晃堂大川光吉著「永久磁石磁気回路入門」総合電子出版社特許検索ガイドブック〜小型スピーカ技術〜特許庁 http://www.jpo.go.jp/shiryou/s_sonota/pdf/pat_guidebook/h19_12.pdf

上記のような利点を有する可動磁石型スピーカを実現しようとした場合、主として以下の三つの問題があった。第１の問題は効率の低下である。従来の可動線輪型スピーカにおいては、磁気回路の質量がスピーカ質量の大部分を占める構成となっている。例えば口径１６ｃｍ程度の振動板に対しては、４００ｇ程度以上の磁気回路が用いられる場合が多い。そのため、可動磁石型スピーカにおいて、従来の可動線輪型スピーカの磁気回路とボイスコイルとの取付位置を交換しただけでは、振動する振動板および磁気回路の質量が大きくなるため、負荷となる空気との不整合が大きくなって効率が非常に低くなる。よって、供給された音声電流に対して小さな音しか出力できなかった。

上記第１の問題を解決するための方法として、磁気回路を可動線輪型スピーカのものよりも小型化し軽量化する方法が考えられる。ところが、単純に磁気回路を小型化すると、継鉄によって磁束を収束させて磁束密度を十分に高めた状態でボイスコイルに鎖交させることが困難となり、スピーカの効率が低下するという第２の問題があった。

このような問題を解決するために、動電型スピーカの効率を上げるには、磁束密度Bとボイスコイル巻線長ｌとの積を大きくすることが考えられる。そこで、磁気回路を小型化し且つその小型化に伴う磁束密度Ｂの低下分を、ボイスコイル巻線長ｌを増加させて補償する方法が考えられるが、この方法の場合、ボイスコイルのインダクタンスが増加し、高音が出難くなるという第３の問題があった。

このような観点から、特許文献１では、主たる振動板と高音を出すための別の振動板とを、磁気回路を共有させた状態で併設している。しかしながら、この解決方法ではスピーカの構造が複雑になるとともに、振動方向に大型化する虞がある。また、特許文献２に開示された構成では、コア１０の構成が複雑となって振動方向に大型化する虞がある。特許文献３の構成では、ムービング磁石が固定コイルの中に入り込んでいないか、または入り込んだ部分の長さが不十分なため、効率良く振動板を駆動できないという問題がある。このように、上記第１〜３の問題を解決して可動磁石型スピーカを実現することが困難であった。特に、簡潔な構成で薄型の可動磁石型スピーカを実現することが困難であった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、磁気回路の質量に関して定量的な指針を与えることにより効率を向上させた可動磁石型のスピーカ、およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る可動磁石型スピーカは、磁石と磁性体（例えば、実施形態における強磁性体薄板４）とからなる磁気回路を有する振動板が、音声電流が流れたボイスコイルが発生する磁界を当該磁気回路で受けることで振動して音波を発生する可動磁石型スピーカであって、前記磁気回路の合計質量が、前記振動板の振動に伴って一緒に振動する空気の質量である付加質量と前記振動板の質量との合計質量に対して０．５〜２．０倍となっている。

この場合、前記可動磁石型スピーカはフレームを備え、前記ボイスコイルは、複数に分割されてインダクタンスが低減され高音域における音声電流の低下を防止するように構成されるとともに、前記フレームにおける異なった位置にその軸方向をそろえて固定され、前記振動板が、前記フレームに対して前記ボイスコイルの軸方向に所定間隙を有して前記ボイスコイルの軸方向に振動可能に取り付けられ、前記磁気回路は、複数の前記ボイスコイルに一対一に対応させて前記振動板に複数設けられて、前記ボイスコイルと対向するように前記振動板に固定されており、前記複数の磁気回路の合計質量が、前記振動板の振動に伴って一緒に振動する空気の質量である付加質量と前記振動板の質量との合計質量に対して０．５〜２．０倍であることが好ましい。

また、前記ボイスコイルはソレノイドコイルであり、前記磁石は柱状であってその軸方向に磁化されるとともに、一方端面が前記磁性体に固着されて前記磁性体と磁気的に接続され、他方端面が前記ボイスコイルの中空部に挿入されて前記ボイスコイルと磁気的結合をするように構成されたことが好ましい。

さらに、前記磁石は、その軸方向高さをＬとし直径をＤとしたときに寸法比Ｌ／Ｄが１以上となるように形成され、前記磁性体は、前記磁石の軸方向に対して垂直な平面に沿って前記ボイスコイルの外形よりも外側に拡がっていることが好ましい。

上記目的を達成するため、本発明に係る可動磁石型スピーカの製造方法は、磁石と磁性体とからなる磁気回路を有する振動板が、音声電流が流れたボイスコイルが発生する磁界を当該磁気回路で受けることで振動して音波を発生する可動磁石型スピーカの製造方法であって、前記ボイスコイルを、複数に分割してインダクタンスを低減し高音域における音声電流の低下を防止するように形成するボイスコイル製造工程と、複数の前記ボイスコイルに一対一に対応する複数の前記磁気回路の合計質量を、前記振動板の振動に伴って一緒に振動する空気の質量である付加質量と前記振動板の質量との合計質量に対して０．５〜２．０倍となるように形成する第１の磁気回路製造工程と、前記磁石を、柱状であってその軸方向高さをＬとし直径をＤとしたときに寸法比Ｌ／Ｄが１以上となるように形成し、且つ、前記磁性体を、前記磁石の軸方向に対して垂直な平面に沿って前記ボイスコイルの外形よりも外側に拡がるように形成する第２の磁気回路製造工程とを有する。

本発明に係る可動磁石型スピーカは、磁気回路の合計質量が、付加質量と振動板の質量との合計質量に対して０．５〜２．０倍となっている。このような磁気回路の質量に関する定量的な指針を基に構成することにより、振動する部分である振動板および磁気回路の質量と、負荷たる空気との不整合を解消して効率を向上させることができる。そのため、供給された音声電流に対して、聞き取り可能な十分に大きな音を出力できる可動磁石型のスピーカを実現可能である。

なお、ボイスコイルは、複数に分割されてインダクタンスが低減され高音域における音声電流の低下を防止するように構成されたことが好ましい。上述のように従来は、効率を上げるためにボイスコイル巻線長ｌを増加させることで、磁束密度Bとボイスコイル巻線長ｌとの積を大きくしていたが、この場合、インダクタンスの増加が避けられず、高音が出難くなるという問題が発生しやすかった。これに対し、上記のようにボイスコイルを複数に分割した場合には、磁束密度Bとボイスコイル巻線長ｌとの積を維持しつつインダクタンスを低減できるので、高音域においてインダクタンスに起因する音声電流の低下を防止可能である。

また、磁石は柱状であってその軸方向に磁化されるとともに、一方端面が磁性体に固着されて磁性体と磁気的に接続され、他方端面がボイスコイルの中空部に挿入されて磁気的結合をするように構成されたことが好ましい。ボイスコイル６に音声電流が供給されると、中心軸上の中央部分に最も強い磁界が発生するが、上記のように構成した場合には、最も強い磁界が発生する領域に磁石の磁極が存在する開放端面を位置させることができる。そのため、最も強い磁界を磁石に作用させて振動させることにより、可動磁石型スピーカ１０の効率を一層向上させることが可能である。

さらに、磁石はその寸法比が１以上に形成され、磁性体はボイスコイルの外形よりも外側に拡がっていることが好ましい。このように構成した場合、磁性体により磁石の磁力線を外方に向けて十分に誘導することができるので、例えばボイスコイルの周端部においても、この誘導された磁力線をボイスコイルと鎖交させて大きな電磁力を発生可能である。

本発明に係る可動磁石型スピーカの製造方法は、磁気回路の合計質量を、付加質量と振動板の質量との合計質量に対して０．５〜２．０倍とする第１の磁気回路製造工程と、ボイスコイルを複数に分割してインダクタンスを低減するボイスコイル製造工程と、磁石をその寸法比が１以上となるように形成し、且つ、磁性体を磁石のボイスコイルの外形よりも外側に拡がるようにする第２の磁気回路製造工程とを有する。可動磁石型スピーカは、上記三つの製造工程を経て製造されるので、ボイスコイルの磁束密度を維持しつつインダクタンスを低減させて高音域の出力を可能とし、且つ効率を向上させた可動磁石型のスピーカを実現できる。

本発明に係る可動磁石型スピーカの平面図である。図１中のＩＩ−ＩＩ部分を示す断面図である。上記可動磁石型スピーカの効率と、質量比βとの関係を示すグラフである。なお、質量比β＝磁気回路質量／付加質量を含む振動板の質量である。

以下、図面を参照ながら、本発明の一実施形態に係る可動磁石型スピーカ１０について説明する。説明の便宜上、各図面に示す矢印方向を前後、左右および上下と定義して説明を行う。

まず、図１および２を参照しながら、可動磁石型スピーカ１０の構成について説明する。なお、以下に説明する可動磁石型スピーカ１０は、全音域を受け持ついわゆるフルレンジ型スピーカに本発明を適用した例であるが、本発明はこれに限定されず高音域を受け持ついわゆるツィーターや、低音域を受け持つウーハーにも適用可能である。

可動磁石型スピーカ１０は、リング状の固定支持部２０、およびこの固定支持部２０の前側に取り付けられた円盤状の振動部３０とから構成される。なお、固定支持部２０および振動部３０の形状は、上記形状に限定されるものではなく他の形状であっても良い。

固定支持部２０は、リング状に形成されたフレーム３と、四個のソレノイド形のボイスコイル６と、ボイスコイル引出し線８とから構成される。フレーム３には、前後に貫通した四個のボイスコイル挿入孔７が形成されている。ボイスコイル６は、その内径が、後述する磁石５の外径よりも大きく形成されている。ボイスコイル挿入孔７の各々に、ボイスコイル６がその中心軸を前後に向けた状態で一個ずつ埋め込まれ、ボイスコイル挿入孔７に接着固定されている。この構成より、ボイスコイル６に対して前後に挿入された磁石５は、ボイスコイル６の中心軸に沿って前後に振動可能である。

また、フレーム３に埋め込まれた四個のボイスコイル６は、フレーム３の後側表面に設けられた図示しない溝に埋設されたボイスコイル引出し線８により、直列に接続されている。ボイスコイル引出し線８の端部はスピーカ入力９として外部に引き出され、このスピーカ入力９が外部の図示しない音声電流出力装置と電気接続されている。この構成により、四個のボイスコイル６の各々には、ボイスコイル引出し線８を介して同一の音声電流が供給される。

振動部３０は、円盤状の振動板１、前記振動板１の周縁近傍に接着された弾性体２、前記弾性体２に隣接して設けられた強磁性体薄板４および磁石５から構成される。以下の説明において、強磁性体薄板４と磁石５とをまとめて磁気回路と称する。なお、図１および２には、上記四個のボイスコイル６に対応させて、弾性体２、強磁性体薄板４および磁石５を、それぞれ四個用いた構成としている。

振動板１は、種々の材料を用いて形成可能であるが、可動磁石型スピーカ１０の効率を向上させるためには、なるべく軽量且つ振動時に変形しない材質を用いて形成されることが好ましい。弾性体２は、図２に示すように、弾性変形可能な材料を用いて円筒状に形成されており、例えば樹脂製のチューブを用いることが可能である。

この弾性体２は、振動板１とフレーム３とにより前後に挟持された状態でこれらに接着されており、すなわち、弾性体２を介してフレーム３に振動板１が取り付けられている。この弾性体２の直径に相当する厚さは、振動板１が静止した状態のときに、ボイスコイル６の中心軸上における前後方向中央部に、磁石５の開放端面が位置するように形成されている。この磁石５の開放端面は、図２では磁石５における後側端面に該当する。なお、弾性体２として、一般的なスピーカに使用される変形自在ないわゆるエッジを用いることも可能である。

強磁性体薄板４は、円盤状に形成されており、その直径はボイスコイル６の外径よりも大きく形成されている。また、強磁性体薄板４の前後厚さは、磁石５が固定された面に対して反対側の面から、磁束が漏洩しない厚さであることが望ましい。その点では、強磁性体薄板４の前後厚さは厚くするほど良いが、振動部３０を軽く形成することを考慮すると極端に厚くすることは現実的でなく、最適値を選択する。このように形成される強磁性体薄板４は、振動板１の周縁近傍において弾性体２に隣接するように、振動板１の後側表面に接着されて固定されている。

磁石５は、円柱状に形成されて図２の前後方向に該当する軸方向に磁化され、前後高さ／直径で表される寸法比が略１となるように形成されている。この磁石５の前側端面の中心と強磁性体薄板４の中心とが一致するように、磁石５が強磁性体薄板４に載置されて接着固定されている。このように形成される四個の強磁性体薄板４と四個の磁石５との合計質量は、振動板１の質量と略同一に設定されている。本実施形態においては、例えば振動板１が約５ｇ、一個の強磁性体薄板４が約０．５ｇ、一個の磁石５が約０．７５ｇの場合を例示している。

ここで、強磁性体薄板４および磁石５と同様に、振動板１と一緒に振動する部材として弾性体２も挙げられるが、弾性体２の全体が振動するのではないため、弾性体２の質量は無視できるものとする。なお、磁石５は、上記寸法比が略１の構成に限定されず、例えば寸法比が略１以上の構成でも良い。このような構成から、磁石５および前記磁石５に固定された振動板１は、ボイスコイル６の中心軸に沿って前後に振動できるように位置決めされている。

以上ここまでは、可動磁石型スピーカ１０の構成について説明した。以下において、本発明に係る可動磁石型スピーカ１０の作動について説明する。

外部からスピーカ入力９を介して音声電流が供給されると、この音声電流が、ボイスコイル引出し線８を経由してボイスコイル６のそれぞれに入力される。ボイスコイル６においては、入力された音声電流に応じた磁界が発生し、この磁界により強磁性体薄板４および磁石５に電磁力が作用する。そうすることにより、強磁性体薄板４、磁石５および振動板１が一体となって前後に振動して音波が発生する。振動板１が前方に変位すると、弾性体２は振動板１およびフレーム３に接着された状態のまま前後に伸ばされて、振動板１が図２に示す静止位置に戻るように振動板１に対して後方に戻す力を作用させる。

上述のように、音声電流が入力されてボイスコイル６に磁界が発生する際、ボイスコイル６の中心軸上の中央部分に最も強い磁界が発生するが、この位置を中心として、磁石５の磁極が存在する開放端面を前後に振動させる構成となっている。そのため、可動磁石型スピーカ１０の効率を向上させることが可能である。

従来の可動線輪型スピーカにおいては、振動側にボイスコイルが取り付けられた構造上、ボイスコイルで発生したジュール熱を効率良く放熱することが困難であった。これに対し、本発明を適用した可動磁石型スピーカ１０においては、ボイスコイル６で発生したジュール熱は、ボイスコイル６の外周部を囲んで密着したフレーム３に伝達されて放熱されるので、ボイスコイル６が高温に晒されることを防止できる。さらに、熱伝達率の高い素材を用いてフレーム３を形成することにより、一層効率良くフレーム３へ熱を伝達して放熱可能である。

また、従来の可動線輪型スピーカにおいては、背景技術で述べたように錦糸線が切れる虞があったが、可動磁石型スピーカ１０ではそのような事態が発生せず、断線に伴う故障を低減して安定した作動が確保されている。さらに、従来の可動線輪型スピーカでは、比較的大きな磁石が必要とされるが、可動磁石型スピーカ１０では磁気回路が小型に構成されて省資源化が図られており、この点において環境に配慮した構成となっている。

以上ここまでは、可動磁石型スピーカ１０の作動について説明した。以下において、本発明に係る可動磁石型スピーカ１０の三つの特徴構成について詳しく説明する。

まず、可動磁石型スピーカ１０の第１の特徴構成について説明する。以下に述べる第１の特徴構成は、磁気回路が上述した強磁性体薄板４と磁石５から構成されている点であり、この構成による効果についても併せて説明する。

可動磁石型スピーカ１０において用いられる磁石５は、上述したように寸法比１以上の柱状磁石であるため、非特許文献２における２．３．１の単体磁石の項の解説によれば、３以上のパーミアンス係数が得られる。この結果、例えば残留磁束密度１Tの希土類磁石を使用すれば、０．７T以上の動作点磁束密度を得ることができる。ただし、表面磁束密度はこれより低い。可動磁石型スピーカ１０においては、質量に関する条件から大型の強磁性体薄板４を用いて磁束収束を十分に行うことが困難なので、このように磁石５単体で高い磁束密度が得られる形状が適している。

また、可動磁石型スピーカ１０における振動板１の最大振幅は、その構造上、磁石５の前後高さ程度に限定されるが、同一体積で前後高さを大きく形成した寸法比１以上の磁石５を用いることにより、十分な最大振幅を確保可能である。さらに、可動磁石型スピーカ１０の磁気回路は、単体の磁石５に対して継鉄である強磁性体薄板４を加えた構成となっているため、一層高い磁束密度を得ることが可能である。

また、可動磁石型スピーカ１０においては、磁気回路の発生する磁力線のうち磁石５の径方向に向けて放射状に伸びる成分だけがボイスコイル６と鎖交して、図２の前後方向に該当する軸方向の電磁力を発生させる。したがって、強磁性体薄板４の形状は、磁石５における径方向に向いた磁力線をより多く発生させ、大きな電磁力を発生させる形状が効率の観点から望ましい。この点を考慮して、可動磁石型スピーカ１０においては、強磁性体薄板４の直径が、ボイスコイル６の外径よりも大きく形成されている。これにより、磁力線を磁石５の径方向に十分に誘導することができるので、例えばボイスコイル６の周端部においても、この誘導された十分な磁力線をボイスコイル６と鎖交させて大きな電磁力を発生可能である。

さらに、可動磁石型スピーカ１０においては、強磁性体薄板４が薄板状に形成されているため、この強磁性体薄板４を振動板１に固定したときに、磁石５の周囲において前後方向に突起する構成物がない。そのため、磁石５の周囲の空間に、フレーム３およびボイスコイル６を密集させた配置が可能となる。また、上述したように、ボイスコイル６をフレーム３に埋め込んだ構成となっているが、強磁性体薄板４が薄板状に形成されているので、振動板１が振動したときにフレーム３と強磁性体薄板４とが干渉する虞がない。このため、フレーム３を平板状に形成することができて、可動磁石型スピーカ１０全体を振動方向である前後方向に容易に薄型化可能である。

また、可動磁石型スピーカ１０においては、強磁性体薄板４により磁力線を磁石５の径方向に十分に誘導することができる構成となっているので、従来の構成と比較して磁石５とボイスコイル６との隙間を大きく設定した場合でも、十分な効率を確保可能である。このように、磁石５とボイスコイル６との隙間を大きく設定すると、可動磁石型スピーカ１０のメンテナンス作業が行いやすくなる。

以上、可動磁石型スピーカ１０の第１の特徴構成について説明した。次に、可動磁石型スピーカ１０の第２の特徴構成について説明する。

以下に述べる第２の特徴構成は、磁気回路の合計質量を、振動板１の振動に伴って一緒に振動する空気の質量である付加質量と振動板１の質量との合計質量に対して、０．５倍以上〜２．０倍以下となるように構成している点であり、この構成による効果についても併せて説明する。本実施形態では、１．０倍となるように構成している。なお、付加質量とは、振動板１と接する略半球領域の空気の質量であり、振動板１の半径の３乗に比例する量である。

まず、振動板１に固定されているのは、ボイスコイルではなく磁気回路であるから、数１において、ボイスコイル質量ｍ_ｃを磁気回路質量ｍ_ｍに置き換える必要がある。この置き換えを行うことで、可動磁石型スピーカ１０の効率ηは、数４で表される。

ここで、磁気回路質量ｍ_ｍの最適値を見つけるためには、ボイスコイル巻線長ｌと磁気回路質量ｍ_ｍとの関係を導入する必要がある。この関係は、従来の可動線輪型スピーカにおけるボイスコイル巻線長ｌとボイスコイル質量ｍ_ｃとの関係ほど自明ではないが、次のように考えることができる。もし、軽量且つボイスコイルに高磁束密度を鎖交可能な磁気回路、およびボイスコイルの最適形状が決定されたとすると、この磁気回路およびボイスコイルの大きさを変更しようとする時、これらの相似関係を保ったまま寸法を拡大あるいは縮小すれば、最適形状が保たれて磁束密度が減少しない望ましい結果が得られる。

上記において述べたことは、現在一般に市販されて主流となっている可動線輪型スピーカにおける磁気回路とボイスコイルとが、そのサイズの大小に関らずほぼ相似形であることからも分かる。なお、上記のように磁気回路およびボイスコイルの大きさを、相似関係を保ったまま変更する方法に代えて、同一寸法の磁気回路とボイスコイルとの対を複数個設ける方法も可能である。この方法を採用した場合も、最適形状は保たれて磁束密度は変化しない。

上記のいずれの方法を採用したとしても、磁気回路の質量とボイスコイルの質量とは比例関係にある。そこで、αを比例定数とし、磁気回路質量ｍ_ｍを数５のように表すことができる。

数５の関係を用いて、数４からボイスコイル巻線長ｌを消去することで、数６が得られる。

数６は、数２におけるボイスコイル質量ｍ_ｃを磁気回路質量ｍ_ｍに単純に置き換えただけではなく、分母に磁気回路とボイスコイルとの質量比αを含んでいることに注意すべきである。この数６は、より軽量で高磁束密度の磁石を使うことによって、または、数５に示す関係より一定質量の磁気回路に対してはボイスコイル質量ｍ_ｃを増大させることによって、効率ηを向上可能であることを示している。そして、可動磁石型スピーカ１０の最大効率は、数６の効率ηを磁気回路質量ｍ_ｍで偏微分して得られた式の値が零となる時であり、すなわち数７に示す時である。

すなわち、可動磁石型スピーカ１０においては、磁気回路質量ｍ_ｍと、付加質量を含む磁気回路以外の振動系質量とが等しい時に最大効率が得られる。この可動磁石型スピーカ１０において、磁気回路以外の振動系の質量は、ほぼ振動板１の質量である。したがって、磁気回路の合計質量を、付加質量を含む振動板１の質量と等しくすることによって、最大効率を得ることができる。ここで、付加質量を含む振動板１の質量をＭ_ｏ、磁気回路の合計質量とＭ_ｏとの比をβ、すなわち、ｍ_ｄ＋２Ｍ_s＝Ｍ_ｏ、ｍ_ｍ＝βＭ_ｏと置いて数６を変形すると、数８が得られる。

さらに、数８において、付加質量を含む振動板１の質量と磁気回路の合計質量とが等しい、つまりβ＝１におけるηの最大値をη_maxと置くと、数９が得られる。

図３に、数９に示すη／η_maxとβとの関係を表す。この図３から分かるように、０．５≦β≦２の範囲においてη／η_max＞０．８８８が得られる。すなわち、磁気回路の合計質量が、付加質量を含む振動板１の質量の０．５倍以上〜２．０倍以下の範囲であれば、最大効率の８８．８％を上回る効率を得ることができる。

可動磁石型スピーカ１０において、磁気回路以外の振動系の質量をほぼ振動板１の質量と見なすことができるとすると、上述したように、付加質量を含む振動板１が約５ｇ、一個の強磁性体薄板４が約０．５ｇ、一個の磁石５が約０．７５ｇなので、付加質量を含む振動板１の質量Ｍ_ｏ＝約５ｇ、磁気回路質量ｍ_ｍ＝（０．５＋０．７５）×４＝約５ｇとなっている。すなわち、可動磁石型スピーカ１０はβ＝１の最大効率となっていて、供給された音声電流に対して聞き取り可能な十分に大きな音を出力できる。

以上、可動磁石型スピーカ１０の第２の特徴構成について説明した。次に、可動磁石型スピーカ１０の第３の特徴構成について説明する。以下に述べる第３の特徴構成は、磁気回路とボイスコイル６とを対応させた対を複数設けた点であり、この構成による効果についても併せて説明する。

上述した第２の特徴構成の通り、磁気回路の合計質量には最適値があり、その条件を満足させつつ磁気回路およびボイスコイルを複数設けることは、これらを分割して設けることに他ならない。ここでは、ボイスコイルを複数に分割するとともに、分割されたボイスコイル同士を電気接続することによって、ボイスコイルのインダクタンスを低減できることについて、以下に詳しく説明する。

可動磁石型スピーカ１０におけるボイスコイル６はソレノイド形コイルであるが、ソレノイド形コイルのインダクタンスＬは、ソレノイドの直径と軸方向長さとの比で決まる長岡係数をＫ、空間の定数である透磁率をμ、ソレノイド断面積をＡ、巻数をｎ、軸方向長さをｌ_ｓとしたとき、数１０で表されることが知られている。

ここで、ソレノイド形コイルにおいて、ソレノイドの直径および軸方向長さだけでなく、巻線の直径および巻線の長さを含んだすべての構成要素の寸法を「総合寸法」と定義する。すなわち、この総合寸法を変更することにより、相似関係を保持したままコイルを拡大または縮小できる。コイルの形状を一定とした場合、インダクタンスＬがコイルの総合寸法に比例することは物理学の教えるところであるし、数１０からも確認できる。すなわち、ソレノイド断面積Ａは総合寸法の２乗に比例し、軸方向長さｌ_ｓは総合寸法の１乗に比例し、透磁率μ、長岡係数Ｋおよび巻数ｎは総合寸法の零乗に比例する。したがって、全体としてインダクタンスＬは、総合寸法の１乗に比例する。

ここで、ボイスコイルの巻線径を変更することなく巻線長を半分にした場合を考えてみると、ボイスコイル巻線の体積は半分になる。一方、ボイスコイル全体の形状を変更することなくボイスコイル巻線の体積を半分にするためには、上記の総合寸法を０．５^1/3＝０．７９３７倍にすればよい。こうすると、巻数が元と同一であっても、インダクタンスＬは０．７９３９倍になることが上述の理論から導かれる。上記においては、巻線径を変更することなく巻線長を半分にした場合を仮定したので、巻数は、巻線長／ソレノイド周長＝０．５／０．７９３７＝０．６３倍に変更される。そうすると、インダクタンスＬは、総合寸法の因子にさらに巻数の２乗が掛かるので、０．７９３７×０．６３²＝０．３１５倍になる。

このようにして形成された元のボイスコイルに対して巻線長が半分となった二個のボイスコイルを、互いの磁気的結合が無視できる距離まで離して直列に繋ぐと、全体のインダクタンスＬは各ボイスコイルコイルのインダクタンスの和になる。すなわち、二個に分割する前の当初のインダクタンスＬに対して、０．３１５×２＝０．６３倍に減少する。

上記のようにボイスコイルの構成を変更するとき、元の電線を同じ長さに２分割して直列に繋いだのだから、ボイスコイル全体の電気抵抗は分割前と同一である。各ボイスコイルは、その形状を変更することなく相似関係を保ったまま体積が半分になっているので、各ボイスコイルに対して分割前と同一の磁束密度を鎖交させるために必要な磁気回路も、形状を変更することなく相似形を保ったまま０．７９３７倍に縮小することで体積を半分にできる。

このように、体積が半分の磁気回路を二個用いるため、全体として磁気回路の合計質量は変わらない。すなわち、ボイスコイルおよび磁気回路のそれぞれについて、体積および質量に関しての総和を変えることなく分割し互いを離して位置させることで、磁束密度Bとボイスコイル巻線長ｌとの積、および電気抵抗は分割前の値のままインダクタンスＬを減少させることができる。

上記の説明では、２分割した場合を例示して説明したが、同様にして分割数をさらに増やすことで、インダクタンスＬを際限なく低減できることは明らかである。例えば、２分割したボイスコイルのそれぞれを、さらに２分割して結果的に４分割とすれば、インダクタンスＬは元の値に対して０．６３×０．６３＝０．３９６９倍に減少させることができる。

したがって、例えば分割前の一個のボイスコイルの時に、電気抵抗が８ΩでインダクタンスＬが１ｍＨであったとすると、この構成ではインダクタンスＬが大き過ぎて高音の出力が十分ではなく、実用的ではないと判断される場合がある。これに対し、可動磁石型スピーカ１０では、ボイスコイルを四個に分割して接続することにより、インダクタンスＬを０．３９６９ｍＨに減少させて高音の出力に支障の無い値とすることができる。もし仮に、このインダクタンスＬでも高音の出力に支障がある場合には、さらに分割数を増やすことで対応可能である。

上述の説明では、ボイスコイル巻線径を変更することなく巻線長を半分にした場合を考えたが、以下において、ボイスコイル巻線長を変更することなく巻線断面積を半分にした場合を考えてみる。これは、巻線径を０．５^1/2＝０．７０７１倍にしたことに相当し、この場合もボイスコイル巻線の体積は半分になる。したがって、上述の例と同様に、ボイスコイル全体の総合寸法を０．７９３７倍にした後、巻数が、巻線長／ソレノイド周長=１／０．７９３７＝１．２６倍に変更されたと考えると、インダクタンスＬは総合寸法の因子にさらに巻数の２乗が掛かるので、０．７９３７×１．２６²＝１．２６倍になる。このようにして形成された巻線断面積が半分の二個のボイスコイルを、互いの磁気的結合が無視できる距離まで離して並列に繋ぐと、全体のインダクタンスＬは各ボイスコイルのインダクタンスの半分となる。なわち、当初のインダクタンスＬに対して、１．２６／２＝０．６３倍に低減できる。

このように、ボイスコイルの巻線断面積を変更した場合、元の電線を断面積半分にして並列に繋いだのであるから、電気抵抗は元の値と変わらない。各ボイスコイルは、その形状を変えずに相似関係を保ったまま体積が半分になっているので、各ボイスコイルに元と同一の磁束密度を鎖交させるために必要な磁気回路も、形状を変更することなく相似形を保ったまま０．７９３７倍に縮小することで体積を半分にできる。このように、体積が半分の磁気回路を二個用いるため、全体として磁気回路の合計質量は変わらない。

また、上記のように、ボイスコイルを並列に分割した場合、分割した各ボイスコイルにおける磁束密度Bとボイスコイル巻線長ｌとの積は、分割前と同一の値となる。しかし、これらを並列接続すると、各巻線には分割前の半分の音声電流しか流れない。したがって、各ボイスコイルの、磁束密度Bとボイスコイル巻線長ｌとの積への実質的な寄与は分割前の半分であり、二個のボイスコイルを並列に接続することにより、磁束密度Bとボイスコイル巻線長ｌとの積は、分割前と同一となる。

以上説明したように、ボイスコイルを直列に分割した場合であっても、並列に分割した場合であっても、どちらの場合も同様にインダクタンスＬを低減させることができる。当然ながら、直列と並列とを組み合せた場合も、同様の効果が得られる。

可動磁石型スピーカ１０においては、上述したようにして、ボイスコイル６を相似関係を保ったまま四個に分割することでボイスコイル６全体のインダクタンスを低減させ、高音域の出力時におけるボイスコイル６に供給される音声電流の低下を防止している。言い換えれば、高音域の出力に支障とならないように、ボイスコイル６を分割してインダクタンスを低減させている。そのため、インダクタンスに起因する高音域の出力低下が回避できる構成となっている。なお、上記においてはボイスコイル６を四個に分割した構成を例示しているが、どの周波数の高音までを十分に出力できる構成とするか等の設計項目や、ボイスコイル６の特性等に応じて分割個数が決定される。

また、上述の実施形態において、円柱形状の磁石５を例示して説明したが、この構成に限定されない。磁石５に代えて例えば断面が矩形となった四角柱の磁石を用いるとともに、ボイスコイル６に代えて内部空間が当該磁石の外形に対応させて四角柱状に形成されたボイスコイルを用いて構成しても良い。このときの寸法比は、軸方向寸法と、当該磁石の断面積を同一面積の円で置き換えた等価直径との比で表される。

１振動板
２弾性体
３フレーム
４強磁性体薄板
５磁石
６ボイスコイル
７ボイスコイル挿入孔
８ボイスコイル引出し線
９スピーカ入力
１０可動磁石型スピーカ
２０固定支持部
３０振動部

Claims

磁石と磁性体とからなる磁気回路を有する振動板が、音声電流が流れたボイスコイルが発生する磁界を当該磁気回路で受けることで振動して音波を発生する可動磁石型スピーカであって、
前記磁気回路の合計質量が、前記振動板の振動に伴って一緒に振動する空気の質量である付加質量と前記振動板の質量との合計質量に対して０．５〜２．０倍であることを特徴とする可動磁石型スピーカ。
前記可動磁石型スピーカはフレームを備え、
前記ボイスコイルは、複数に分割されてインダクタンスが低減され高音域における音声電流の低下を防止するように構成されるとともに、前記フレームにおける異なった位置にその軸方向をそろえて固定され、
前記振動板が、前記フレームに対して前記ボイスコイルの軸方向に所定間隙を有して前記ボイスコイルの軸方向に振動可能に取り付けられ、
前記磁気回路は、複数の前記ボイスコイルに一対一に対応させて前記振動板に複数設けられて、前記ボイスコイルと対向するように前記振動板に固定されており、
前記複数の磁気回路の合計質量が、前記振動板の振動に伴って一緒に振動する空気の質量である付加質量と前記振動板の質量との合計質量に対して０．５〜２．０倍であることを特徴とする請求項１に記載の可動磁石型スピーカ。
前記ボイスコイルはソレノイドコイルであり、
前記磁石は柱状であってその軸方向に磁化されるとともに、一方端面が前記磁性体に固着されて前記磁性体と磁気的に接続され、他方端面が前記ボイスコイルの中空部に挿入されて前記ボイスコイルと磁気的結合をするように構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の可動磁石型スピーカ。
前記磁石は、その軸方向高さをＬとし直径をＤとしたときに寸法比Ｌ／Ｄが１以上となるように形成され、
前記磁性体は、前記磁石の軸方向に対して垂直な平面に沿って前記ボイスコイルの外形よりも外側に拡がっていることを特徴とする請求項３に記載の可動磁石型スピーカ。
磁石と磁性体とからなる磁気回路を有する振動板が、音声電流が流れたボイスコイルが発生する磁界を当該磁気回路で受けることで振動して音波を発生する可動磁石型スピーカの製造方法であって、
前記ボイスコイルを、複数に分割してインダクタンスを低減し高音域における音声電流の低下を防止するように形成するボイスコイル製造工程と、
複数の前記ボイスコイルに一対一に対応する複数の前記磁気回路の合計質量を、前記振動板の振動に伴って一緒に振動する空気の質量である付加質量と前記振動板の質量との合計質量に対して０．５〜２．０倍となるように形成する第１の磁気回路製造工程と、
前記磁石を、柱状であってその軸方向高さをＬとし直径をＤとしたときに寸法比Ｌ／Ｄが１以上となるように形成し、且つ、前記磁性体を、前記磁石の軸方向に対して垂直な平面に沿って前記ボイスコイルの外形よりも外側に拡がるように形成する第２の磁気回路製造工程とを有することを特徴とする可動磁石型スピーカの製造方法。