JP5068679B2 - スピーカ - Google Patents

Description

本発明は、ボイスコイルを駆動する方式のスピーカに係り、特に振動体の両側の空気振動を発音に有効に利用できるスピーカに関する。

下記の特許文献１にはスピーカ装置が開示されている。
このスピーカ装置には振動板が設けられ、振動板の外周部はブラケットにダンパーを介して接合されている。振動板の裏面側にはドライブコーンが固定され、ドライブコーンにボイスコイルが設けられている。ブラケット内にはマグネットが支持されており、マグネットから発せられる磁界がボイスコイルに与えられる。

特許文献１に記載されたスピーカ装置では、振動板の裏面とドライブコーンの内部とにほぼ密閉された空間が形成されている。この空間に封じ込めた気体のバネ性により、ボイスコイルを含む振動系を浮遊支持できるようにしている。
特開２００６−３４５２０６号公報

前記特許文献１のスピーカ装置では、振動板の背面側の空気の振動に基づく背面放射波が、ブラケットに形成された開口部を通ってスピーカの裏側の外部空間に放射され、スピーカ装置の前方には、振動板の表面側の空気の振動に基づく前方放射波が発せられる。背面放射波と前方放射波は互いに逆位相であり、空気振動を互いに打ち消そうとする関係にある。

そこで、通常はスピーカ装置をスピーカボックスに取り付けている。スピーカ装置がスピーカボックスに取り付けられると、背面放射波がスピーカボックスの内部の空気を振動させるが、この振動はスピーカボックスの外部に出にくくなり通常は熱などに変換されて消費される。そして、前方放射波のみが音波として前方へ発せられる。

しかし、この方法では、背面放射波を発生音波として使用できないために振動板に与えられるエネルギーの利用効率が低下する。そこで、室内で使用される音響システムでは、スピーカボックスにバスレフ穴を形成し、ヘルムホルツの共鳴管の原理を利用して、背面放射波の位相をスピーカボックス内で反転させ共鳴させて前方へ放出させる方式が採用されている。この方式では、振動板の振動エネルギーを音波として有効利用できる。さらに、振動板の直径と、スピーカボックスの内容積を最適に設計することで、前方へ発する音を増幅でき、しかも低音域の音を大きくすることも可能となる。

一方において、自動車では、スピーカ装置がドアやトランクルームに設置され、ドアの内部空間やトランクルームをスピーカボックスとして利用しているのが一般的である。この場合、背面放射波はドアやトランクルームの内部で消費されてしまい、振動板の振動エネルギーを効果的に使用できていない。

また、自動車のドアやトランクルームの内部はスピーカボックスとして設計されているものではないため、ヘルムホルツの共鳴管の原理を利用したバスレフ穴を形成することはできない。また、仮にドアやトランクルームにバスレフ穴を設けたとしても、ドアやトランクルームの内部空間は、構造が複雑であり、その容積もさまざまであるため、共鳴のための最適な空間容積を確保することは実質的に不可能である。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、振動体の背面側の空気に発せられる背面放射波を有効に利用できるようにし、しかもこのスピーカが設置されるボックスの形状や容量にかかわらず、安定した音質を発生することができるスピーカを提供することを目的としている。

本発明は、表面と裏面を有する振動体と、前記振動体と一緒に振動するボイスコイルと、前記ボイスコイルに磁界を与える磁界発生部とを有するスピーカにおいて、
前記振動体の裏面の一部分と、前記振動体の裏側に設けられた壁体とで所定の容積の空間が囲まれて形成され、前記空間と、前記振動体よりも表側の前方空間とが音通路で連通されており、
前記振動体の裏面の他の部分で発せられる空気波は、前記壁体よりも外側の外部空間に与えられることを特徴とするものである。

本発明のスピーカは、振動体の裏面側の空気振動に基づく背面放射波の一部が壁部で囲まれた空間内に与えられ、この空間内の空気振動の位相がヘルムホルツの共鳴管の原理に基づいて反転させられて、反転後の空気波が振動体の表面側の前方空間へ与えられる。よって、前記空間の容積と、この空間に対面する振動体の一部分の面積とを最適に設計することで、特定の波長帯域において、振動体の前方に発せられる音圧を増幅することが可能である。

ただし、ヘルムホルツの共鳴管の原理に基づくバスレフ効果を利用する場合に、振動体の裏側に形成される空間は、振動体の有効半径が大きければそれに応じて容積を大きくすることが必要である。そこで、本発明では、振動体の一部のみを前記空間に対面させることで、前記空間に対面している振動体の有効半径と前記容積との関係をなるべく適正に設定できるようにして、特定の波長帯域での音圧を増幅できるようにしている。

一方において、振動体が小さすぎると、スピーカの最大音圧が小さくなってしまうため、本発明のスピーカでは、振動体の大きさを前記空間に対面する面積よりもさらに広くしている。そして、前記振動体の裏面のうちの前記空間に対面していない他の部分で発せられる空気波を、前記空間の外側へ放出している。

そのため、振動体全体を大きくして最大音圧を大きくでき、しかも振動体の一部の面積と前記空間の容積とをバスレフ効果を発揮するための最適な値に設定できるようにしている。すなわち、前記空間が小さくても、この空間に対面する振動体の面積との関係で、バスレフ効果を有効に発揮できるようにし、しかも振動体を大きくできるようにしている。

なお、本発明における前記振動体の裏面の一部と前記壁体とで囲まれる空間は、前記音通路以外の部分で外部空間から完全に隔絶されて密閉されていることが好ましい。ただし、バスレフ効果を阻害しない範囲で、前記壁体などに若干の隙間などが形成されているものを排除するものではない。

本発明は、前記壁体と前記振動体の裏面との間に可撓性の仕切り部材が設けられているものとして構成される。

前記壁体と前記振動体の裏面との間に可撓性の仕切り部材を設けることで前記空間を外部空間から区画でき、しかも振動体を自由に振動させることができるようになる。

また、本発明は、前記振動体を支持する枠体が設けられ、前記枠体に、前記振動体の裏面の一部分と前記壁体とで囲まれる第１の空間と、前記振動体の裏面の他の部分が対面する第２の空間とが互いに区画されて形成されており、
前記第１の空間から前記振動体よりも表側の前方空間に通じる第１の音通路と、前記第２の空間から前記枠体よりも外側の外部空間に通じる第２の音通路とが設けられているものである。

上記発明では、第１の空間が、その外部空間から密閉されまたは実質的に密閉されていることが好ましい。ただし、前記第２の空間の密閉性は特に要求されるものではない。

例えば、本発明は、前記磁界発生部は前記第１の空間内に設けられ、前記磁界発生部を支持する中央枠体が前記振動体の中央部に位置し、前記第１の音通路が前記中央枠体を貫通して形成されているものである。

上記のように、振動体の表側の前方空間に通じる第１の音通路を振動体の中央部に設けることで、スピーカ全体の構造をコンパクトに構成できる。ただし、第１の音通路が、振動体の外周部よりも外側において、振動体よりも表側の前方空間に通じていてもよい。

また、前記枠体には、前記振動体の外周部よりも外側に延びる取付け部が形成されており、前記第２の音通路は、前記取付け部よりも裏側で前記枠体よりも外側の外部空間に通じているものである。

さらに、前記第１の空間の容積が、前記第２の空間の容積よりも大きいことが好ましい。

また、前記第２の音通路は、外部空間に向かうにしたがって開口寸法が大きくなることが好ましい。

本発明のスピーカは、振動体の一部分で囲まれる空間を利用してバスレフ効果を発揮させているため、前記空間の容積が小さくても、この空間に対面している振動体の一部の面積と前記容積とで適正なバスレフ効果を設定することができる。しかも、振動体そのものは、前記空間の容積に制限されることなく大きくできるため、最大音圧を大きくできる。

また、このスピーカを、自動車のドアやトランクルームに設置したときに、ドアやトランクルームの内部の構造が不確定であったり、内容積が不確定であっても、前記空間を利用したバスレフ効果を発揮できるため、常に音質を良好にできる。

なお、本発明のスピーカは、自動車用に限られず、室内音響用のスピーカボックスに取り付けてもよい。この場合に、スピーカボックスの内容積がどのようなものであっても、常に前記空間を利用したバスレフ効果を期待できる。

図１は本発明の実施の形態のスピーカの外観図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面図、図２は図１のスピーカの断面図である。なお、図２は左右対称であるため、主要な部材の符号は片側にのみ付している。

図１および図２に示すように、スピーカ１０は、有底円筒状の枠体１２と、枠体１２のＺ１側に向く上方開口部を覆うフランジ部１１とを有している。フランジ部１１は枠体１２の一部を形成している。フランジ部１１が枠体１２の開口部に設置された状態で、枠体１２とフランジ部１１とが接着やねじ止めなどの手段で互いに固定されている。枠体１２とフランジ部１１との接合境界部には、円周方向に細長に形成された複数の開放部１３が開口している。開放部１３が第２の音通路として機能する。

図２に示すように、スピーカ１０が、筐体１００の表面に設置される場合に、フランジ部１１が取付け部として機能して筐体１００の表面に設置される。よって、フランジ部１１およびフランジ部１１の内側に位置する振動体１４の表面１４Ａが筐体１００の外側の空間に対面する。また、フランジ部１１よりもＺ２側に延びる枠体１２が筐体１００の内部に収納される。よって、開放部１３は筐体１００の空間１０１に通じる。筐体１００は自動車のドアやトランクルームである。あるいは室内音響装置用のスピーカボックスであってもよい。

枠体１２およびフランジ部１１は、非磁性金属を使用したダイキャスト成型、あるいは合成樹脂による射出成型で形成されている。

図２に示すように、スピーカ１０は、フランジ部１１で囲まれた部分に発音部１１Ａが設けられており、枠体１２の内部に磁気駆動部１１Ｂが設けられている。

発音部１１Ａには、コーン形状の振動体１４が設けられている。振動体１４は、Ｚ１側に向く面が表面１４Ａであり、Ｚ２側に向く面が裏面１４Ｂである。振動体１４は、厚紙材または樹脂を含浸した紙材あるいは合成樹脂シートで形成されている。振動体１４の外周部１４ａには、リング状のダンパー１７が取り付けられており、ダンパー１７の外周部１７ａがフランジ部１１のＺ１側の面に固定されている。ダンパー１７は、厚紙材や樹脂を含浸した紙材または合成樹脂シートで形成されており、その弾性力により、振動体１４を振動できるように支持し且つ振動体１４の外周部１４ａをＺ１−Ｚ２方向の可動領域の中立位置に保持できるようになっている。

振動体１４の中心部１４ｂには、円筒状のボビン１６が固定されている。ボビン１６は、振動体１４との接合部からＺ１側およびＺ２側の双方に延びている。ボビン１６は紙材やプラスチックシートなどの絶縁材で形成されており、Ｚ２側の端部にはボイスコイルＶＣが巻かれている。

枠体１２は円筒壁体１２ａと底壁体１２ｂを有し、円筒壁体１２ａのＺ１側の縁部には、内側へ向けて延びる区画壁体１２ｃが一体に形成されている。区画壁体１２ｃには、ヨーク支持部材２３の上端部２３ａが固定されている。

ヨーク支持部材２３の上端部２３ａの上内面には、非磁性材料で形成された補助壁体１８が固定されている。そして、補助壁体１８と振動体１４の裏面１４Ｂとの間に仕切り部材２５が設けられている。仕切り部材２５は可撓性で、ダンパー１７と同等の弾性係数を有しており、紙材、樹脂を含浸した紙材、あるいは合成樹脂シートで形成されている。

仕切り部材２５と振動体１４の裏面１４Ｂとの接合部２５ａは、円周方向へ連続して延びている。よって、振動体１４は、接合部２５ａから中心部１４ｂまでのリング状の第１の領域１４ｃと、接合部２５ａから外周部１４ａまでのリング状の第２の領域１４ｄとに区分されている。

ヨーク支持部材２３は、その上端部２３ａが円周方向に連続する板体であり、上端部２３ａを除く下方部分２３ｂには穴が形成され、または下方部分２３ｂが円周方向に間隔を空けて配置されたリブである。このヨーク支持部材２３の下端部に支持部２３ｃが形成され、第２のヨーク２２は支持部２３ｃの下面に固定されている。

第１のヨーク２１の中心部にはＺ１−Ｚ２方向に延びる円筒部２１ｂが一体に形成されており、円筒部２１ｂの上に非磁性材料で形成された中央枠体１５が固定されている。中央枠体１５および円筒部２１ｂに、Ｚ１−Ｚ２方向に貫通する貫通穴１５ａが形成されている。貫通穴１５ａが第１の音通路として機能し、バスレフ穴として機能する。

ボビン１６は、円筒部２１ｂの外周面と中央枠体１５の外周面に摺動自在に設けられている。円筒部２１ｂおよび中央枠体１５の外周面と、ボビン１６の内周面との間の隙間は、ボビン１６が摺動できる範囲できわめて狭くなっており、この隙間内は、振動体１４の振動で発せられる空気波が実質的に通過できない。

ボイスコイルＶＣは、第１のヨーク２１の外周面と、第２のヨーク２２の内周面との間の磁気ギャップＧ内に入り込んでいる。また、ボイスコイルＶＣの巻き線の一部は、リード線２４として取り出され、ヨーク支持部材２３の表面を通過して、枠体１２の外部に引き出されている。

スピーカ１０では、枠体１２の内部に、円筒壁体１２ａ、底壁体１２ｂ、区画壁体１２ｃ、第１のヨークの円筒部２１ｂ、およびヨーク支持部材２３で囲まれた空間Ｓ１ａと、ヨーク支持部材２３、補助壁体１８、仕切り部材２５、中央枠体１５の外周面および振動体１４の第１の領域１４ｃで囲まれた空間Ｓ１ｂが形成されている。ただし、ヨーク支持部材２３は、上端部２３ａが円周方向へ連続する板体で、下方部分２３ｂには穴が形成され、または下方部分２３ｂが複数のリブで形成されているため、空間Ｓ１ａと空間Ｓ１ｂは互いに連通している。

空間Ｓ１ａと空間Ｓ１ｂが第１の空間であり、この第１の空間は、その外部空間から区画された実質的な密閉空間である。ただし、この第１の空間Ｓ１ａ，Ｓ１ｂは、第１の音通路である貫通穴１５ａを介して、振動体１４の前面１４Ａよりも表側に位置する前方空間にのみ通じている。

また、枠体１２の内部には、区画壁体１２ｃ、ヨーク支持部材２３の上端部２３ａ、補助壁体１８、仕切り部材２５、フランジ部１１の一部、ダンパー１７、および振動体１４の第２の領域１４ｄで囲まれた第２の空間Ｓ２が形成されている。第２の空間Ｓ２は第２の音通路である開放部１３を通じて、フランジ部１１よりもＺ２側において枠体１２よりも外側の外部空間に通じている。図２の断面図に示すように、開放部１３は、その開口面積が、第２の空間Ｓ２から外部空間に向かうにしたがって徐々に広くなっている。

第２の空間Ｓ２と第１の空間Ｓ１ａ，Ｓ１ｂとの間には、剛性を有する区画壁体１２ｃとヨーク支持部材２３の上端部２３ａおよび補助壁体１８が介在しているため、振動体１４の振動で第１の空間Ｓ１ａ，Ｓ１ｂの内部に発生する空気波と、第２の空間Ｓ２の内部に発生する空気波が互いに干渉しにくい。各空間に発生する空気波は、軟質な仕切り部材２５の部分で少し干渉するが、その面積はわずかである。

次に、スピーカ１０の動作を説明する。
ボイスコイルＶＣに音声信号（交流電流）が与えられると、ギャップＧ内のボイスコイルＶＣを鎖交する磁束と前記音声信号によって、ボイスコイルＶＣがＺ１−Ｚ２方向に駆動させられ、ボビン１６および振動体１４が振動させられ、振動体１４から音声信号に応じた音が発生する。

このとき、振動体１４の表面１４Ａよりも前方（Ｚ１方向）の空気波である前方放射波Ｗ１と、振動体１４の裏面１４Ｂよりも後方（Ｚ２方向）の空気波である背面放射波Ｗ２ａ，Ｗ２ｂとでは、空気振動の位相が互いに１８０度ずれている。

振動体１４は、仕切り部材２５との接合部２５ａを境として第１の領域１４ｃと第２の領域１４ｄとに区分されているが、第１の領域１４ｃにおいて、振動体１４の裏面１４Ｂに発生する背面放射波Ｗ２ａは、第１の空間Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ内に与えられる。一方、第２の領域１４ｄにおいて、振動体１４の裏面１４Ｂに発生する背面放射波Ｗ２ｂは、第１の空間Ｓ１ａ，Ｓ１ｂに与えられず、第２の空間Ｓ２から開放部１３を経て、枠体１２よりも外の外部空間に与えられる。

背面放射波Ｗ２ａは、比較的広い第１の空間Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ内に与えられるが、第１の空間Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ内では、ヘルムホルツの共鳴管の原理により、内部で空気波が共鳴し位相が反転させられて、貫通穴１５ａを経て、振動体１４よりも前方の空間内に与えられる。貫通穴１５ａを経て前方空間に与えられる空気波Ｗ３は前方放射波Ｗ１と同位相であるため、前方放射波Ｗ１と空気波Ｗ３とで、音波が実質的に増幅されて前方空間に与えられる。

ここで、ヘルムホルツの共鳴管を使用したバスレフ効果では、最低周波数が、振動体を含む振動系の弾性率と、空間内で空気振動がダンパーとして機能する際の弾性率に依存しており、振動体に比較して空間の容積を大きくするほど、バスレフ効果を得ることのできる最低周波数を低くできる。

そこで、スピーカ１０では、第１の空間Ｓ１ａ，Ｓ１ｂに空気波を与える振動体１４を第１の領域１４ｃに限定している。したがって、第１の領域１４ｃの大きさに対する第１の空間Ｓ１ａ，Ｓ１ｂの容積を相対的に大きくとることができる。そのため、第１の空間Ｓ１ａ，Ｓ１ｂが比較的小さくても、バスレフ効果を高めることのできる最低周波数を低くできる。すなわち、低音域のバスレフ効果を効果的に得ることができ、振動体１４の前面１４Ａよりも前方の空間内に、低音域に伸びのある音波を与えることができる。

一方、振動体１４は、第１の領域１４ｃと第２の領域１４ｄの双方が振動系として機能するために、スピーカ１０全体としての最大音圧を大きくすることができる。

つまり、振動体１４の一部のみを第１の空間Ｓ１ａ，Ｓ１ｂに対面させて、空間容積が小さくても低音域でのバスレフ効果を有効に発揮できるようにし、しかも振動体１４の全体を大きくすることで、スピーカの潜在的な音圧を大きくすることができるようにしている。

また、図２に示すように、スピーカ１０を筐体１００に取り付け、第２の空間Ｓ２を、筐体１００の空間１０１に連通させると、第２の空間Ｓ２に与えられた背面放射波Ｗ２ｂを空間１０１内に放出できる。空間１０１が密閉されていると、背面放射波Ｗ２ｂが振動体１４の前方に回りこむことがなく、前方放射波Ｗ１と背面放射波Ｗ２ｂとが干渉することを防止できる。また、背面放射波Ｗ２ｂを広い内部空間１０１内に放出できるので、背面放射波Ｗ２ｂがダンパーとして機能しにくくなり、背面放射波Ｗ２ｂのダンパー効果により振動体１４の振幅が抑制されることを防止できる。

また、開放部１３は、空間１０１に向かうにしたがって開口面積が徐々に広くなるため、背面放射波Ｗ２ｂは第２の空間Ｓ２内から空間１０１にスムースに抜け出ることができ、前記ダンパー効果を低減させることができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限られるものではなく、第２の空間Ｓ２内を貫通穴によって振動体１４よりも前方の空間に連通させてバスレフ効果を発揮させ、第１の空間Ｓ１ａ，Ｓ１ｂを、振動体１４よりもＺ２側で枠体１２の外部に連通させて、第１の空間と第２の空間の機能を逆にしてもよい。

しかし、バスレフ効果による再生可能な低音域は、振動体の面積に対して空間の容積が広いことが必要であるため、振動体１４の表側の前方空間に通じている空間の容積（図２では第１の空間の容積）が、他方の空間の容積（図２では第２の空間の容積）よりも大きいことが好ましい。

また、バスレフ効果を発揮させるためには、図２に示す第１の空間Ｓ１ａ，Ｓ１ｂが貫通穴１５ａ以外で密閉されていることが必要であるが、第２の空間Ｓ２は、閉鎖されておらずに枠体１２の外方に開放されていてもよい。

本発明の実施の形態のスピーカを示す外観図で、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面図、 図１のスピーカの断面図

符号の説明

１０ スピーカ
１１ フランジ部
１１Ａ 発音部
１１Ｃ 磁界発生部
１２ 枠体
１３ 開放部（第２の音通路）
１４ 振動体
１４Ａ 振動体の表面
１４Ｂ 振動体の裏面
１４ｃ 第１の領域
１４ｄ 第２の領域
１５ 中央枠体
１５ａ 貫通穴（第１の音通路）
１６ ボビン
２３ ヨーク支持部材
２１ 第１のヨーク
２２ 第２のヨーク
２５ 仕切り部材
１００ 筐体
Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ 第１の空間
Ｓ２ 第２の空間
ＶＣ ボイスコイル
Ｍ 磁石

Claims (7)

1. 表面と裏面を有する振動体と、前記振動体と一緒に振動するボイスコイルと、前記ボイスコイルに磁界を与える磁界発生部とを有するスピーカにおいて、
   前記振動体の裏面の一部分と、前記振動体の裏側に設けられた壁体とで所定の容積の空間が囲まれて形成され、前記空間と、前記振動体よりも表側の前方空間とが音通路で連通されており、
   前記振動体の裏面の他の部分で発せられる空気波は、前記壁体よりも外側の外部空間に与えられることを特徴とするスピーカ。
2. 前記壁体と前記振動体の裏面との間に可撓性の仕切り部材が設けられている請求項１記載のスピーカ。
3. 前記振動体を支持する枠体が設けられ、前記枠体に、前記振動体の裏面の一部分と前記壁体とで囲まれる第１の空間と、前記振動体の裏面の他の部分が対面する第２の空間とが互いに区画されて形成されており、
   前記第１の空間から前記振動体よりも表側の前方空間に通じる第１の音通路と、前記第２の空間から前記枠体よりも外側の外部空間に通じる第２の音通路とが設けられている請求項１または２記載のスピーカ。
4. 前記磁界発生部は前記第１の空間内に設けられ、前記磁界発生部から延びる中央枠体が前記振動体の中央部に位置し、前記第１の音通路が前記中央枠体を貫通して形成されている請求項３記載のスピーカ。
5. 前記枠体には、前記振動体の外周部よりも外側に延びる取付け部が形成されており、前記第２の音通路は、前記取付け部よりも裏側で前記枠体よりも外側の外部空間に通じている請求項３または４記載のスピーカ。
6. 前記第１の空間の容積が、前記第２の空間の容積よりも大きい請求項３ないし５のいずれかに記載のスピーカ。
7. 前記第２の音通路は、外部空間に向かうにしたがって開口寸法が大きくなる請求項３ないし６のいずれかに記載のスピーカ。

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