JP5031926B2 - スピーカ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ボックスとスピーカユニットとを備えたスピーカ装置に関し、具体的にはスピーカユニットの背面から放射された音波の圧力変化に応じて気体を吸着する活性炭繊維がボックス内に具備されているスピーカ装置に関する。
ボックスと、ボックスの内壁面に装着されたスピーカユニットとを備えたスピーカ装置は、ボックスの内容積を小さくすると、スピーカ装置の音響スティフネスが大きくなるため、低音域の再生性能が悪くなる。
この問題を解決する手段として、椰子殻・木材・石炭ピッチ・石油ピッチ・フェノール系樹脂などから生成した粒状あるいは繊維状の活性炭をボックスの内部に設け、活性炭による気体の物理吸着作用によって音響スティフネスを小さくして、低音域の再生範囲を拡大するスピーカ装置が従来からいろいろ提案されている。
例えば、フェノール系樹脂から生成した布状の活性炭繊維（ミクロ孔径：φ１．０ｎｍ〜２．５ｎｍ、比表面積：５００ｍ２／ｇ以上）をボックスの内部に設けた密閉型スピーカ装置が提案されている。活性炭繊維は、ミクロ孔と呼ばれるナノオーダの細孔が繊維表面に露出しており、しかもハイカットフィルタを形成するマクロ孔がないため、物理的な気体吸着効果が１００〜２００Ｈｚ以上の高域でも発揮される。したがって、低音域の再生周波数帯域が比較的高い小型のボックスに対しても、低音域の再生範囲を拡大する効果が発揮された密閉型スピーカ装置を実現することができる。
しかし、上述した活性炭繊維は湿気を吸着すると気体の吸着性能が劣化するため、バスレフ型スピーカ装置のようにボックス内に外気が流入するタイプのスピーカ装置には適用できなかった。
そこで、湿気による活性炭繊維の劣化を防止するために、ポリ塩化ビニル・塩化ビニリデンなどのプラスチックフィルムからなる遮蔽部材で活性炭繊維を包装したものをボックス内に設けたスピーカ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、耐湿性を改善したスピーカシステムとして、細孔の直径が３．６〜１０ｎｍ、細孔の全容積が０．４ｍｌ／ｇ以上の活性炭（石炭を原料とした粒状活性炭）をボックス内に配置したスピーカシステムが提案されている。この活性炭は、３０℃相対湿度７０％の雰囲気に２４〜４８時間放置しても気体の吸着能が低下しないため、外気がボック内に流入するバスレフ型スピーカシステムにも適用できる（例えば、特許文献２参照）。
再公表特許ＷＯ２００６／０３５５６４ 特開２００９−２７５２７
しかしながら、特許文献１に開示されているように活性炭繊維をプラスチックフィルムなどの遮蔽部材で包装すると、遮蔽部材によって音波の透過損失を生じるため音波の透過率が低減する問題があった。また、遮蔽部材は音響インピーダンスとして働くため、活性炭繊維による気体の吸着性能を低下させる問題があった。
また、特許文献２に開示されている活性炭は、相対湿度７０％以下では活性炭１ｇ当たりの水吸着量が０．０５ｇ以下であるため気体の吸着性能が低下しない。しかし、相対湿度８５％以上では活性炭１ｇ当たりの水吸着量が０．７ｇ以上になって気体の吸着サイトが減少するため、気体の吸着性能が著しく低下あるいは喪失してしまう問題があった。
以上に説明したように、従来の活性炭では耐湿性と、低音域の再生範囲の拡大とを同時に両立させるスピーカ装置を実現することができなかった。
そこで、本発明は係る従来の問題を解決して、耐湿性の向上と、低音域の再生範囲の拡大とを同時に実現させるスピーカ装置を提供することを目的とする。
上記の問題を解決して目的を達成するために、本発明のスピーカ装置は、開口部を有するボックスと、ボックスの内側の開口部に装着されたスピーカユニットとを有し、スピーカユニットの背面から放射された音波の圧力変化に応じて大気中の気体を吸着する活性炭繊維がボックス内に備えられているスピーカ装置であって、活性炭繊維は大気の湿度に関係なく気体を吸着する吸着サイトを有していることを特徴とする。
このような構成にすることによって、外気がボックス内に流入しても活性炭繊維による気体の吸着性能が保持されるため、バスレフ型スピーカ装置のように外気がボックス内に流入するタイプのスピーカ装置を実現することが可能になる。
また、活性炭繊維は、その表面に露出している直径２．０ｎｍ以下の細孔を複数有しかつ直径２．０ｎｍ以下の細孔の容積が細孔全体の容積の６０％以上有していることを特徴とする。
このような構成にすることによって、相対湿度９５％以上の大気に曝されても活性炭繊維に吸着される水分の飽和吸着量が少なくなる。したがって、湿度に関係なく気体を吸着する吸着サイトの多い、耐湿性に優れた活性炭繊維を実現することが可能になる。
また、活性炭繊維の細孔の直径が１．８ｎｍ以下であり、かつ直径１．８ｎｍ以下の細孔の容積が細孔全体の容積の８０％以上有していることを特徴とする。
このような構成にすることによって、湿度変化に対して最低共振周波数の変動が小さくなるため、音響特性の安定したスピーカ装置を実現することが可能になる。
また、活性炭繊維の原料が石炭ピッチもしくはフェノール系樹脂であることを特徴とする。
このような構成にすることによって、細孔径の制御および細孔分布をシャープにすることが容易になるため、耐湿性に優れた活性炭繊維を容易に製造することが可能になる。
また、石炭ピッチもしくはフェノール系樹脂から生成した活性炭繊維を８００〜１１００℃で熱処理することを特徴とする。
このような構成にすることによって、含酸素官能基が熱分解されて無くなるため、結露のし難い活性炭繊維を実現することが可能になる。
また、スピーカ装置が密閉型スピーカ装置であることを特徴とする。活性炭繊維が耐湿性に優れているため、水蒸気がボックス内に進入しないようにボックスを完全に密閉する必要がない。したがって、密閉型スピーカ装置の製造が容易になり装置コストの低減が図れる。
さらに、スピーカ装置が音響ポートを有するバスレフ型スピーカ装置であることを特徴とする。活性炭繊維が耐湿性に優れているため、従来のように活性炭繊維をプラスチックフィルムのような遮蔽部材で密封する必要がない。したがって、遮蔽部材による気体吸着量の損失のない、低音域の再生範囲の拡大に優れたバスレフ型スピーカ装置を実現することが可能になる。
本発明のスピーカ装置によれば、湿度に関係なく気体を吸着する吸着サイトを有する活性炭繊維を用いているため、耐湿性の向上と、低音域の再生範囲の拡大とを同時に実現させるスピーカ装置を提供することができる。
本発明に係る密閉型スピーカ装置の一構成例を示す断面概略図である。 本発明に係る活性炭繊維の吸湿特性を示す図である。 本発明に係る活性炭繊維の音響特性を示す図である。 本発明に係るバスレフ型スピーカ装置の一構成例を示す断面概略図である。
以下、本発明の実施の形態について図１〜図４の図面を参照にして説明する。
図１は、本発明に係る密閉型スピーカ装置の一構成例を示す断面概略図である。
図２は、本発明に係る活性炭繊維の吸湿特性を示す図である。図３は、本発明に係る活性炭繊維の音響特性を示す図である。図４は、本発明に係るバスレフ型スピーカ装置の一構成例を示す断面概略図である。尚、各図において、同じ構成要素には同一の符号を付与し、重複する構成要素については説明を省略する。
（実施の形態１）
本発明に係る密閉型スピーカ装置の一構成例について説明する。尚、本実施形態では、スピーカユニットとして一般に良く知られているダイナミック型スピーカユニットを用いた。
（密閉型スピーカ装置の構成）
密閉型スピーカ装置１０は、図１（Ａ）に示すように、開口部１１を有するボックス１２と、ボックス１２の内側の開口部１１に装着したダイナミック型スピーカユニット１３（以下、略してスピーカユニットと言う）と、ボックス１２の内部に設置した活性炭繊維１４とを備えている。活性炭繊維１４は、スピーカユニット１３の背面から放射された音波の圧力変化に応じて気体を吸着する細孔構造を有するもので構成されている。
尚、活性炭繊維１４は、活性炭繊維の形態に応じて例えば不織布など音波を透過させる通気性のよい通気性部材で覆ってもよい（図示せず）。
スピーカユニット１３は、図１（Ｂ）に示すように、音波を放射させるコーン型の振動板１７（以下、略して振動板と言う）と、振動板１７を支持するためのエッジ１６と、振動板１７に振動を伝達させるボイスコイル１８と、ボイスコイル１８を磁界の作用によって駆動させるマグネット１９と、各構成部材を支持するためのフレーム１５などから構成されている。
尚、本実施形態における密閉型スピーカ装置１０は、水蒸気が振動板１７やエッジ１６部などからボックス１２の内部に侵入する構成であってもよい。つぎに、活性炭繊維１４の構成について詳しく説明する。
（活性炭繊維の構成）
本発明に適用できる活性炭繊維１４としては、大気の湿度に関係なく気体を吸着する吸着サイトを有しているものであればいずれでも適用できる。このような活性炭繊維としては、表面に露出している直径２．０ｎｍ以下の細孔を複数有し、かつ直径２．０ｎｍ以下の細孔の容積が細孔全体の容積の６０％以上有するものが好ましい。ここで、細孔全体の容積は０．５ｍｌ／ｇ以下がよい。
このような細孔構造を有する活性炭繊維は、含水率が飽和に達しても気体を吸着する吸着サイトを有する細孔の比表面積が５００ｍ２／ｇ以上得られる点で望ましい。
さらに好ましくは、表面に露出している細孔の直径が１．８ｎｍ以下であり、かつ直径１．８ｎｍ以下の細孔の容積が細孔全体の容積の８０％以上有しているものがよい。ここで、細孔全体の容積は０．３ｍｌ／ｇ以下がよい。
このような細孔構造を有する活性炭繊維は、湿度変化に対して最低共振周波数の変動が小さくなる点で優れている。
上述した活性炭繊維は、水のクラスターが形成される細孔の容積が少ない。したがって、含水率が飽和に達した状態においても気体を吸着する吸着サイトを有する細孔の容積比率が高いため、耐湿性に優れた活性炭繊維を実現することが可能になった。
活性炭繊維１４としては、レーヨン系繊維・アクリル系繊維・ノボロイド繊維などのフェノール系繊維・石炭ピッチ・石油ピッチなどの原料を炭化した炭化物を水蒸気などで賦活したものが用い得る。中でも、石炭ピッチおよびフェノール系樹脂から生成した活性炭繊維は、細孔径の制御および細孔分布をシャープにすることが容易になるため、耐湿性に優れた活性炭繊維を容易に製造することができる点で好ましい。
特に、石炭ピッチおよびフェノール系樹脂から生成した活性炭繊維を８００〜１１００℃で熱処理した活性炭繊維は、含酸素官能基が熱処理で分解されて無くなるため、水分をさらに吸着し難くさせる点で好ましい。
活性炭繊維１４の形態としては、綿状（繊維の塊）・繊維を紡糸した糸状・フェルト状・布状のいずれでもよく、目的に応じて適宜選択して用い得る。中でも、綿状およびフェルト状の活性炭繊維は、通気性すなわち音波の透過性に優れ、気体との接触面積が広くなるため、気体の吸着効率に優れる点で好ましい。つぎに、活性炭繊維の細孔構造について詳しく説明する。
（吸湿実験）
活性炭繊維の細孔構造と水吸着量との関係について実験を行った。実験方法は、水を入れた容器の水面から１〜２ｃｍの直上に網を設置した実験装置を用意し、試料となる活性炭繊維を網の上に置き、容器を蓋して容器内の水を沸騰させて行った。すなわち、試料を温度９５〜１００℃、相対湿度９５〜１００％の雰囲気に曝し、試料による水の飽和吸着量を調べた。
実験で用いた活性炭繊維は、以下に示す綿状の石炭ピッチ活性炭繊維（試料Ａ、Ｂ、Ｄ）と、ノボロイド繊維から生成したフェルト状のフェノール系活性炭繊維（試料Ｃ）である。尚、各試料は、温度２０℃、相対湿度３０％の雰囲気に２４時間放置した後に実験に供した。また、各試料の重量はいずれも１０ｇとした。
・ 試料Ａ・・・細孔の平均直径：２．２ｎｍ、全細孔の容積：０．８ｍｌ／ｇ、比表 面積：１５００ｍ２／ｇ
・ 試料Ｂ・・・細孔の平均直径：２．０ｎｍ、全細孔の容積：０．５ｍｌ／ｇ、比表 面積：１０００ｍ２／ｇ
・ 試料Ｃ・・・細孔の平均直径：１．８ｎｍ、全細孔の容積：０．２２ｍｌ／ｇ、比 表面積：８００ｍ２／ｇ
・ 試料Ｄ・・・細孔の平均直径：１．７ｎｍ、全細孔の容積：０．３ｍｌ／ｇ、比表 面積：７００ｍ２／ｇ
ここで、細孔の物性値は、窒素ガスを用いてＢＥＴ法で測定して得られた値である。
上述した吸湿実験の実験結果を図２に示す。図２中の横軸は、温度９５〜１００℃、相対湿度９５〜１００％の雰囲気に試料を放置した時間、また縦軸は、単位重量当たりの試料に吸着した水の含水量を重量百分率（ｗｔ％）で表した含水率を示す。尚、含水率は、含水量を全細孔に水が充満した場合の重量（全細孔の容積に対応した重量）で割り算して求めた。
図２から分かるように、試料Ａ、Ｂ、ＣおよびＤの飽和含水率は、それぞれ約５８ｗｔ％、約２７ｗｔ％、約１４ｗｔ％および約８ｗｔ％であり、細孔径に比例して大きくなる。換言すると、水が吸着していない、すなわち水で塞がれていない細孔の容積率（以下、空隙率と言う）は、試料Ａが約４２％、試料Ｂが約６３％、試料Ｃが約８６％、試料Ｄが約９２％であり、細孔径が小さくなるほど大きくなる。
また、飽和含水率に到達する時間は、試料Ａが約４８０分、試料Ｂが約１２０分、試料Ｃが約９０分、試料Ｄが約６０分であり、細孔径が小さくなるほど短くなる。
したがって、細孔径の小さい活性炭繊維の方が細孔径の大きい活性炭繊維より、湿度変化に対する空隙率の変動幅が小さくしかも飽和含水量に到達する時間が短いため、音響特性が安定する点で望ましい。
ここで、飽和含水量に達した各試料の比表面積を上述の空隙率から計算で求めると、試料Ａは６３０ｍ２／ｇ、試料Ｂは６３０ｍ２／ｇ、試料Ｃは６８８ｍ２／ｇ、試料Ｄは６４４ｍ２／ｇになる。したがって、飽和含水量に達した各試料は、吸湿実験前の比表面積に関係なく、吸湿実験後の比表面積がほぼ同程度になると言える。尚、吸湿実験後の試料の比表面積は以下の計算式から算出した。
吸湿実験後の試料の比表面積＝（吸湿実験前の比表面積）×（吸湿実験後の空隙率）
一般に、活性炭繊維は、比表面積を大きくするほど賦活時間が長くなりしかも製造歩留まりが悪くなるため製造コストが高くなる。したがって、本発明に適した活性炭繊維は、水の吸着を考慮に入れると、比表面積の小さなものの方が比表面積の大きなものより価格対性能が高い点で望ましい。
（音響特性）
つぎに、吸湿実験前と吸湿実験後の試料Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄをそれぞれ計測用の密閉型スピーカ装置に入れ、音響インピーダンスを測定して最低共振周波数（以下、ｆ０と記す）を調べた。実験結果を図３に示す。尚、試料を入れない状態の密閉型スピーカ装置のｆ０は２５０Ｈｚである。
吸湿実験前と吸湿実験後のｆ０の変動幅は、図３に示すように、試料Ａは約６Ｈｚ、試料Ｂは約３Ｈｚ、試料ＣおよびＤは零である。したがって、試料ＣおよびＤは、湿度変化に対してｆ０が変動しないため、耐湿性に優れしかも低音域の再生特性が安定したスピーカ装置を実現することができることを示唆している。
また、吸湿実験後の試料Ａ、Ｂ、Ｄのｆ０は、吸湿実験前のｆ０に関係なく２３８〜２４０Ｈｚとなりほぼ同じ値になる。これは、上述したように、吸湿実験後の試料Ａ、Ｂ、Ｄにおける気体を吸着する吸着サイトを有する細孔の比表面積が、ほぼ同じ値になるからであると考えられる。
また、試料ＣとＤとのｆ０を比較すると、試料Ｃの方が５Ｈｚ高い。これは、活性炭繊維の形態の違い、すなわちフェルト状（試料Ｃ）と綿状（試料Ｄ）との違いが大きな要因であると考えられる。
以上に説明した吸湿実験の結果から、本発明に好適な活性炭繊維の細孔構造について以下に説明する。
本発明に適した活性炭繊維は、図２および図３で説明したことから分かるように、細孔直径が２．０ｎｍ以下でありしかも直径２．０ｎｍ以下の細孔の容積が細孔全体の容積の６０％以上有しているものが好ましい。このような活性炭繊維は、気体の吸着に有効な細孔の容積比率が大きいため気体の吸着効率に優れ、しかも製造コストが安価になる点で優れている。
さらに好ましくは、細孔直径が１．８ｎｍ以下でありしかも直径１．８ｎｍ以下の細孔の容積が細孔全体の容積の８０％以上有しているものがよい。このような活性炭繊維は、湿度変化に対して気体の吸着性能が劣化せず安定している点で優れている。
（実施の形態２）
図４は、本発明に係るバスレフ型スピーカ装置の一構成例を示す断面概略図である。
バスレフ型スピーカ装置４０は、ボックス１２の一部に音響ポート４１が装着されている以外は図１に示した密閉型スピーカ装置１０と同じ構成である。
活性炭繊維１４は、図１で説明したように、耐湿性に優れるため従来のようにフィルムで密閉する必要はない。したがって、音響ポート４１と活性炭繊維１４との相乗効果によって、図１で説明した密閉型スピーカ装置１０より低音域の再生範囲の拡大が図れる。
（具体的実施例１）
以下に示す構成部材を用意して図１に示す密閉型スピーカ装置を試作した。
活性炭繊維：
図２で説明した試料Ｄと同じ石炭ピッチ活性炭繊維「ユニチカアドール」（ユニチカ（（株）社製）・・・３０ｇ
スピーカユニット：
振動板がコーン製のフルレンジ型スピーカユニット「ＦＥ８７Ｅ」（ＦＯＳＴＥＸ社製）
ボックス：
木製ボックス（内容積：約０．６６リットル）
尚、石炭ピッチ活性炭繊維は、温度２０℃、相対湿度３０％の雰囲気に２４時間放置したものを用いた。
以上に説明した密閉型スピーカ装置を温度５５℃相対湿度９５％の雰囲気に８時間放置して湿度試験を行った。湿度試験後、密閉型スピーカ装置の音響インピーダンスを計測してｆ０を測定した。尚、湿度試験をする前の密閉型スピーカ装置のｆ０は２２０Ｈｚ、また活性炭繊維を入れない密閉型スピーカ装置のｆ０は２５０Ｈｚであった。
その結果、湿度試験後の密閉型スピーカ装置のｆ０は、湿度試験をする前と同じ２２０Ｈｚであった。また、湿度試験後の活性炭繊維の含水率を調べたところ８ｗｔ％であった。
活性炭繊維が水を吸着したのは、コーン製の振動板およびエッジ部などから水蒸気が進入したからであると考える。
以上の湿度試験の結果から、本発明によるスピーカ装置は、耐湿性に優れしかも低音域の再生範囲の拡大に優れた効果を奏することが確認された。
本発明に係るスピーカ装置は、テレビ装置・ホームシアタ・カーステレオ・パソコン用スピーカ装置・ヘッドホーンなどの音響機器に有用である。
１０ 密閉型スピーカ装置
１１ 開口部
１２ ボックス
１３ スピーカユニット
１４ 活性炭繊維
１５ フレーム
１６ エッジ
１７ 振動版
１８ ボイスコイル
１９ マグネット
４０ バスレフ型スピーカ装置
４１ 音響ポート

Claims (8)

  1. 開口部を有するボックスと、前記ボックスの内側であって前記開口部に装着されたスピーカユニットとを有し、前記スピーカユニットの背面から放射された音波の圧力変化に応じて大気中の気体を吸着する活性炭繊維が前記ボックス内に備えられているスピーカ装置であって、前記活性炭繊維は前記大気の湿度に関係なく前記気体を吸着する細孔を有し、前記細孔は前記活性炭繊維の表面に露出している直径２．０ｎｍ以下の表面細孔を含み、前記表面細孔の容積が前記細孔全体の容積の６０％以上であることを特徴とするスピーカ装置。
  2. 前記活性炭繊維の表面に露出している前記表面細孔の直径が１．８ｎｍ以下であり、前記表面細孔の容積が前記細孔全体の容積の８０％以上であることを特徴とする請求項１に記載のスピーカ装置。
  3. 前記活性炭繊維の原料が、石炭ピッチもしくはフェノール系樹脂であることを特徴とする請求項１もしくは３に記載のスピーカ装置。
  4. 前記活性炭繊維は、８００〜１１００℃で熱処理されていることを特徴とする請求項４に記載のスピーカ装置。
  5. 前記スピーカ装置が密閉型スピーカ装置であることを特徴とする請求項１もしくは請求項３乃至５のいずれか１項に記載のスピーカ装置。
  6. 前記スピーカ装置が音響ポートを有するバスレフ型スピーカ装置であることを特徴とする請求項１もしくは請求項３乃至５のいずれか１項に記載のスピーカ装置。
  7. 開口部を有するボックスの内側であって該開口部に装着されたスピーカユニットの背面から放射された音波の圧力変化に応じて大気中の気体を吸着するスピーカ装置用の活性炭繊維であって、
    前記活性炭繊維は前記大気の湿度に関係なく前記気体を吸着する細孔を有し、前記細孔は前記活性炭繊維の表面に露出している直径２．０ｎｍ以下の表面細孔を含み、前記表面細孔の容積が前記細孔全体の容積の６０％以上であることを特徴とするスピーカ装置用の活性炭繊維。
  8. 前記活性炭繊維の表面に露出している前記表面細孔の直径が１．８ｎｍ以下であり、前記表面細孔の容積が前記細孔全体の容積の８０％以上であることを特徴とする請求項８に記載のスピーカ装置用の活性炭繊維。
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