JP6474320B2 - スピーカーおよび音響装置 - Google Patents

Description

本発明は、スピーカーに関し、特に、ボイスコイルの温度や速度等を検出するセンサを備えたスピーカーに関する。

スピーカーのボイスコイル等の温度や速度等を検出し、検出結果に基づきスピーカー入力信号（音声信号）または振動板をフィードバック制御することにより、帯域の拡大や歪みを低減することが知られている。ボイスコイルに大電流が流れると、その電気抵抗により発熱し、ボイスコイルを固定する接着剤が焼損したり、ボイスコイル自身が溶断することで、スピーカーが故障してしまう。また、ボイスコイルや振動板の位置を検出することは、アンプからの音声信号を振動に変換される際の歪みを監視できることから、歪み改善に効果があると考えられている。

特許文献１は、金属導体回路を形成したフレキシブルプリント基板を成形したボビンにボイスコイルを巻回し、ボイスコイルの温度変化を金属導体回路の抵抗変化から検出するスピーカーを開示している。特許文献２は、ボイスコイルの温度が予め設定された温度に到達したか否かを検出し、到達したことが検出された場合には、発光ダイオードを発光させるとともに、スピーカー駆動回路においてスピーカー入力信号のリミッタ制御を行うことを開示している。特許文献３は、センターポールとボビンとの間に形成される静電容量を正確に検出することが可能なスピーカーを開示している。ボビンは、複数の絶縁体層と複数の非磁性の導電体層を交互に積層して構成され、センターポールに最も近い導電体層とセンターポールとの間に静電容量を形成し、センターポールから最も離れている導電体層を接地することで、外乱ノイズの影響を受けることなく静電容量を正確に検出することを可能にしている。

特開昭５９−７２８９９号公報 特開２００４−７１０７号公報 特開２００７−２０１５３号公報

従来のセンサを備えたスピーカーには、次のような課題がある。スピーカーの位置センシングにおいて、ノイズが少なく、精度が高いセンサおよびコントローラを低コストでかつ安定的に提供することが求められている。また、振動系が軽い方が音圧が高くなり易いが、位置や温度等のセンシングはスピーカーの追加事項となるため、振動系の重量が増し、それ故、感度性能を悪化させるおそれがある。さらに、システムの安定性、安全性の市場要求から、位置以外にもスピーカーの状態をセンシングし保護することも求められている。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、軽量化、低コスト化が可能な簡易な構成であり、かつ効率的に動作状態を検出することができるスピーカーおよび音響装置を提供することを目的とする。

本発明に係るスピーカーは、センターポールと、前記センターポールの外周に配置されたボビンとを有し、前記ボビンは、導体パターンを含むフレキシブル基板と、前記フレキシブル基板の外周側に設けられかつ前記導体パターンと電気的に絶縁されたボイスコイルとを含み、前記導体パターンと前記センターポールとの間に静電容量が形成され、前記フレキシブル基板はさらに、前記導体パターンの近傍に温度検出素子を有する。

好ましくは前記温度検出素子は、前記導体パターンに電気的に直列に接続される。好ましくは前記温度検出素子は、前記導体パターンに熱的に結合される。好ましくは前記導体パターンは、窪んだ領域を含み、窪んだ領域内に前記温度検出素子の端子に接続される電源パターンが形成される。好ましくは前記導体パターンと前記電源パターンとは、絶縁層上に同時に形成される。好ましくは前記導体パターンおよび前記電源パターン上に別の絶縁層が形成され、当該別の絶縁層上に前記温度検出素子が配置される。好ましくは前記温度検出素子は、前記別の絶縁層に形成されたビアコンタクトを介して電源パターンに接続される。好ましくは前記フレキシブル基板は、上端および当該上端に対向する下端を有し、前記フレキシブル基板を円筒状に成形することで前記ボビンが形成され、前記温度検出素子は、前記ボイスコイルと干渉しない前記上端近傍に配置される。

本発明に係る音響装置は、上記構成のスピーカーと、前記導体パターンと前記センターポールとの間に形成された静電容量を検出する第１の検出手段と、前記温度検出素子により前記ボイスコイルの温度を検出する第２の検出手段と、前記ボイスコイルに音声信号を供給する供給手段と、第１および第２の検出手段の検出結果に基づき前記供給手段からの音声信号の供給を制御する制御手段とを有する。好ましくは前記第１の検出手段は、前記ボビンの速度または位置を検出する。好ましくは前記制御手段は、第１の検出手段および第２の検出手段の検出結果に応じて前記音声信号のレベルを一定以下に制限するリミッタ制御を行う。

本発明によれば、ボビンを構成するフレキシブル基板に導体パターンと温度検出素子を設けることにより、簡易な構成にて効率よく、ボイスコイルの速度または位置と温度を検出することができる。さらに、スピーカーの振動系に付加する重量を大幅に抑制することができる。

本発明の実施例に係る音響装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施例に係るスピーカーの概略構成を示す断面図である。 図２に示したスピーカーの領域Ａを拡大した図である。 本発明の第１の実施例に係るボビンの構成を説明する図であり、図４（Ａ）は、ボビンを構成するフレキシブル基板の平面図、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＡ−Ａ線断面図、図４（Ｃ）は、Ｂ−Ｂ線断面図、図４（Ｄ）は、基板を円筒状に成形したときの斜視図である。 図５（Ａ）は、第１の実施例に係るスピーカーの等価回路、図５（Ｂ）は、第１の実施例に係る音響装置の回路構成例を示す図である。 本発明の第２の実施例に係るボビンの構成するフレキシブル基板の平面図である。 図７（Ａ）は、第２の実施例に係るスピーカーの等価回路、図７（Ｂ）は、第２の実施例に係る音響装置の回路構成例を示す図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例に係る音響装置の構成を示すブロック図である。同図に示すように、本実施例の音響装置１０は、スピーカー信号発生部２０と、駆動部３０、スピーカー４０、温度検出部５０、位置／速度検出部６０、および制御部７０を含んで構成される。

スピーカー信号発生部２０は、スピーカー４０のボイスコイルに供給されるアナログ音声信号を駆動部３０へ提供する。駆動部３０は、音声信号のリミッタ制御を行うリミッター回路や音声信号の増幅／減衰を行うアンプ等を含み、リミッタ制御ないし増幅／減衰された音声信号をスピーカー４０へ提供する。温度検出部５０は、スピーカー４０の温度、好ましくはボイスコイルの温度を検出し、検出結果を制御部７０へ提供する。位置／速度検出部６０は、スピーカーの振動板またはボビンの位置／速度を検出し、検出結果を制御部７０へ提供する。制御部７０は、温度検出部５０の検出結果および位置／速度検出部６０の検出結果に基づき駆動部３０から供給される音声信号のフィードバック制御を行う。例えば、制御部７０は、温度検出部５０により検出された温度が閾値以上であるとき、リミッタ回路に音声信号が一定レベル以下に制限をさせ、ボイスコイルへ大きな電流が供給されないようにする。また、制御部７０は、位置／速度検出部６０により検出された位置／速度を監視し、予定された位置／速度と閾値を越えて相違する場合にリミッタ回路に音声信号を一定レベル以下に制限させる。

図２は、本実施例のスピーカーの概略構成を示す断面図、図３は、図２の領域Ａの拡大図である。本実施例に係るスピーカー４０は、ケース１００の凹部に取付けられた円筒状の部分を含むセンターポール１１０と、センターポール１１０の外周に配置されたリング状の磁場発生部材１２０と、センターポール１１０の円筒状の部分と磁場発生部材１２０との間に配置された円筒状のボビン１３０と、ボビン１３０の外周に巻回されたボイスコイル１４０と、一方の端部がボビン１３０の上端部に固定され、他方の端部がフレーム１６０に固定された振動板１５０とを含んで構成される。

センターポール１１０は、例えば、磁器回路のギャップを生成する鉄製の軸であり、接地される。磁場発生部材１２０は、ボイスコイル１４０の周辺に一定の磁場を形成する磁気材料から構成される。ボイスコイル１４０は、例えば、銅等のコイルから構成される。振動板１５０は、例えば、コーン紙等から構成される。

図３を参照すると、ボビン１３０の一部が詳細が示されている。ボビン１３０は、後述するように導体パターンが形成されたフレキシブルプリント基板から構成され、ボビン１３０は、センターポール１１０と磁場発生部材１２０との間の両側に一定のギャップが生成されるように配置される。ボイスコイル１４０は、ボビン１３０の外周に巻回されるが、ボビン１３０とは電気的に絶縁された状態であり、かつ磁場発生部材１２０との間に非常に狭い間隙が形成されている。駆動部３０からボイスコイル１４０に音声信号が供給されると、ボイスコル１４０に流れる電流により発生された磁力によりボビン１３０がセンターポール１１０の軸方向に振動し、これにより、ボビン１３０の上端部に接着剤等により固定された振動板１５０が振動し、音が出力される。

ボビン１３０を構成するフレキシブル基板に形成された導体パターンとセンターポール１１０との間に静電容量が形成され、当該静電容量またはその変化量は、ボビン１３０の位置または速度を検出するために利用される。また、ボビン１３０の外周面には、温度検出素子２００として、例えば、サーミスタが取付けられる。温度検出素子２００は、ボイスコイル１４０の温度をできるだけ正確に検出することを可能にするため、できるだけボイスコイル１４０の近接に配置されることが望ましい。但し、ボビン１３０と磁場発生部材１２０との間隔（ギャップ）、およびボビン１３０とセンターポール１１０との間隔（ギャップ）は、非常に小さいため、それらの間隔に温度検出素子を配置する空間的余裕がない。そこで、温度検出素子２００は、ボビン１３０が振動する際に、磁場発生部材１２０やセンターポール１１０と干渉しないような位置、すなわち、ボイスコイル１４０の上端部近傍に取付けられる。温度検出素子２００には、外部リード２１０を介して電力が供給される。

次に、本発明の第１の実施例に係るボビンについて説明する。図４（Ａ）は、円筒状のボビンに成形される前のフレキシブル基板の平面図、図４（Ｂ）は、Ａ−Ａ線断面図、図４（Ｃ）は、Ｂ−Ｂ線断面図、図４（Ｄ）は、フレキシブル基板の円筒状に成形した状態を示す斜視図である。フレキシブルプリント基板２２０は、ポリイミド等の電気的絶縁材料から構成された絶縁層と、銅やアルミニウム等の導電性材料から構成された導電体層とを積層した多層基板から構成される。基板２２０は、図４（Ｂ）に示すように、第１の絶縁層２２２と、第１の絶縁層２２２上にパターニングされた導体パターン（導電体層）２２４と、導体パターン２２４上に形成された第２の絶縁層２２６とを含む。第１の絶縁層２２２は、例えば、図示しない絶縁基材上に形成されるようにしてもよい。導体パターン２２４は、例えば、第１の絶縁層２２２上に導電体層をスクリーン印刷することによりパターニングされたり、あるいは導電体層を形成後にエッチングすることでパターニングされる。

基板２２０は、上端Ｅ１と、上端Ｅ１に平行な下端Ｅ２とを有する概ね矩形状を有する。上端Ｅ１近傍には、振動板１５０の一方の端部が接続される。導体パターン２２４は、図４（Ａ）に示すように、上端Ｅ１と平行な部分２２４Ａと、平行な部分２２４Ａから幾分傾斜する部分２２４Ｂと、傾斜する部分２２４Ｂから上端Ｅ１に向けてほぼ垂直方向に延在する延在する部分２２４Ｃと、下端Ｅ２と平行な部分２２４Ｄとを含む。さらに基板２２０には、傾斜する部分２２４Ｂに近接して水平方向に延在する電源パターン２３０が形成される。電源パターン２３０は、例えば、導電パターン２２４と同時にパターン形成される。電源パターン２３０は、外部リード２１０と温度検出素子２００との間を電気的に接続する導電経路として機能する。

基板２２０の上端Ｅ１の近傍には、温度検出素子２００が取付けられる。温度検出素子２００は、例えば、温度によって抵抗が変化するサーミスタであり、サーミスタの一方の端子は、図４（Ｃ）に示すように、第２の絶縁層２２６内に形成されたビアコンタクト２３２Ａを介して電源パターン２３０に電気的に接続され、他方の端子は、第２の絶縁層２２６内に形成されたビアコンタクト２３２Ｂを介して導体パターン２２４に電気的に接続される。また、電源パターン２３０は、第２の絶縁層２２６内に形成されたコンタクトホールＣ１（図中省略）を介して外部リード２１０に接続され、同様に、延在する部分２２４は、コンタクトホールＣ２を介して外部リードに電気的に接続される。

なお、上記例では、電源パターン２３０を導体パターン２２４と同時に形成する例を示したが、これに限らず、電源パターン２３０は、第２の絶縁層２２６上に形成してもよい。さらに上記例では、温度検出素子としてのサーミスタを第２の絶縁層２２６上に形成する例を示したが、これに限らず、サーミスタを第１の絶縁層２２２上に形成してもよい。この場合に、サーミスタ、電源パターン２３０を、導体パターン２２４と同時にパターニングしてもよい。

図４（Ｄ）に示すように基板２２０を円筒状に成形することによりボビン１３０が構成される。基板２２０またはボビン１３０の内周には、図２、３に示すセンターポール１１０が配置され、導体パターン２２４が可動電極、センターポール１１０が固定電極として機能し、両電極間に静電容量が形成される。この静電容量は、ボビン１３０の移動に応じて変化する。また、ボビン１３０の外周には、ボイスコイル１４０（ここには図示されない）が巻回されるが、温度検出素子２００は、ボビン１３０の上端Ｅ１近傍に配置されるため、センターポール１１０や磁場発生部材１２０と干渉しない。

次に、本実施例の音響装置の具体的な回路構成について説明する。図５（Ａ）は、本実施例のスピーカーの等価回路である。同図に示すように、温度検出素子２００には直流電源が供給される。直流電源は、図３に示す外部リード２１０から、図４に示すコンタクトＣ１および電源パターン２３０を介して温度検出素子２００に供給される。また、温度検出素子２００は、図４（Ｃ）に示すビアコンタクト２３２Ｂを介して導体パターン２２４に直列に接続され、導体パターン２２４とセンターポール１１０との間に静電容量Ｃｓが形成される。また、導体パターン２４０の延在する部分２２４のコンタクトＣ２が図５（Ａ）のノードＮを形成し、ノードＮから静電容量の検出信号が取り出される。

図５（Ｂ）は、温度検出部および位置／速度検出部の好ましい回路の構成例である。駆動部３０は、スピーカー信号発生部２０からアナログ音声信号を受け取り、受け取った音声信号のリミッタ制御を行うリミッタ回路３２と、リミッタ回路３２から出力される音声信号の電力の増幅または減衰を行うアンプ３４とを含む。アンプ３４から出力された音声信号は、ボイスコイル１４０へ供給され、ボビン１３０および振動板１５０を振動させる。

温度検出部５０は、オペアンプＯＰ１を含み、温度検出素子２００のノードＮに表れる検出信号Ｔを入力し、検出された温度信号を制御部７０の温度判定部７４へ提供する。あるいは、温度検出部５０は、コンパレータを含み、ノードＮに表れる検出信号Ｔと閾値となる基準電圧とを比較し、基準電圧よりも大きいとき、Ｈレベルの温度信号、基準電圧以下であるとき、Ｌレベルの温度信号を温度判定部７４へ提供するようにしてもよい。

速度検出部６０は、オペアンプＯＰ２とバイポーラトランジスタＱとを含み、オペアンプＯＰ２は、ノードＮに表れる検出信号Ｔと基準電圧とを比較し、トランジスタＱは、ベースに印加された比較結果に応じてコレクタ電流を流す。トランジスタＱのコレクタは、制御部７０の速度判定部７２に結合され、速度判定部７２に速度信号が提供される。

制御部７０は、上記したように速度判定部７２および温度判定部７４を含み、これらの判定部の判定結果に基づきリミッタ回路３２を制御する。速度判定部７２および温度判定部７４の判定のアルゴリズムは特に限定されないが、例えば、速度判定部７２は、ボビン１３０または振動板１５０の速度が一定以上であると判定したとき、リミッタ回路３２に対して音声信号のレベルを一定以下に抑制するリミッタ制御信号Ｓ１を出力する。また、温度判定部７４は、ボイスコイル１４０の温度が一定上であると判定したとき、リミッタ回路３２に対して音声信号のレベルを一定以下に抑制するリミッタ制御信号Ｓ２を出力する。

本実施例によれば、ボビンを構成するフレキシブルプリント基板に、静電容量を形成するための導体パターンと温度検出素子とを設けることで、スピーカーの振動板の速度検出とボイスコイルの温度検出を同時に行うことが可能になる。

次に、本発明の第２の実施例に係るボビンについて説明する。図６（Ａ）は、第２の実施例のボビンを構成するフレキシブル基板の平面図である。第２の実施例では、第１の実施例と異なり、温度検出素子２００は、導体パターン２２４に電気的に接続されないが、基板等の熱導電性を利用してボイスコイル１４０と熱的に結合されるように配置される。図６（Ａ）に示すように、基板２２０Ａは、第１の実施例のときと同様に、第１の絶縁層、第１の絶縁層上に形成された導電体層、導電体層上に形成された第２の絶縁層を含む。第２の実施例では、導電体層は、静電容量の一方の可動電極を構成する導体パターン２２４と、一対の電源パターン２５０、２５２にパターニングされる。導体パターン２２４は、基板２２０Ａの上端Ｅ１近傍において略矩形状の窪んだ領域２２４Ｇを有する。窪んだ領域２２４Ｇ内に、導体パターン２２４と近接して一対の電源パターン２５０、２５２が形成される。温度検出素子２００は、第１の実施例のときと同様に、第２の絶縁層上に形成され、温度検出素子の各電極は、第２の絶縁層に形成されたビアコンタクトを介して電源パターン２５０、２５２にそれぞれ電気的に接続される。

図６（Ｂ）は、導体パターン２２４、電源パターン２５０、２５２に接続される外部リードの例を示している。外部リード２７０、２７２、２７４は、第２の絶縁層に形成されたコンタクトホールを介して、電源パターン２５０、２５２、導体パターン２２４にそれぞれ電気的に接続される。温度検出素子２００は、電源パターン２５０、２５２を介して導体パターン２２４に熱的に結合され、導体パターン２２４は、基板を介してボイスコイル１４０に熱的に結合され、その結果、温度検出素子２００は、ボイスコイル１４０の温度を効果的に検出することができる。

上記実施例では、電源パターン２５０、２５２が導体パターン２２４と同様に第１の絶縁層上に形成される例を示したが、これに限らず、電源パターン２５０、２５２を、温度検出素子２００と同様に第２の絶縁層上に形成するようにしてもよい。あるいは、温度検出素子２００を、電源パターン２５０、２５２と同様に、第１の絶縁層上に形成し、導体パターン２２４を形成するときに同時に形成されるようにしてもよい。

次に、第２の実施例に係る音響装置の回路構成例について説明する。図７（Ａ）は、第２の実施例のスピーカーの等価回路である。第２の実施例では、温度検出素子２００の一方の電極（例えば、外部リード２７０）が抵抗Ｒ１を介して直流電源に接続され、他方の電極（例えば、外部リード２７２）が接地される。また、導体パターン２２４は、外部リード２７４、抵抗Ｒ２を介して交流電源に接続される。ボビンまたは振動板の位置を検出する場合には、導体パターン２２４に交流信号を印加することが望ましく、静電容量が一定の周波数で充放電される。

図７（Ｂ）に示すように、温度検出素子（サーミスタ）２００と抵抗Ｒ１との分圧ノードＮ１からの検出信号Ｔが制御部７０の温度判定部７４へ提供される。第２の実施例では、温度検出部５０は、温度検出素子２００と抵抗Ｒ１とを含む回路から構成される。一方、位置／速度検出部６０は、外部リード２７４から取り出された検出信号Ｔ２を入力するオペアンプＯＰ１と、オペアンプＯＰ１から出力される位置信号を微分し速度信号を出力する微分回路６２とを含む。微分回路６２から出力される速度信号は、制御部２７０の速度判定部７２へ提供される。

このように本実施例では、温度検出素子２００を導体パターン２２４に近接させて配置させることで、スピーカーの軽量化、小型化を図りつつ、温度と速度の２つのセンシングを可能としている。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の要旨の範囲において、種々の変形、変更が可能である。

１０：音響装置 ２０：スピーカー信号発生部
３０：駆動部 ４０：スピーカー
５０：温度検出部 ６０：速度検出部
７０：制御部 １００：ケース
１１０：センターポール １２０：磁場発生部材
１３０：ボビン １４０：ボイスコイル
１５０：振動板 １６０：フレーム
２００：温度検出素子 ２１０：外部リード
２２０、２２０Ａ：フレキシブル基板 ２２２：第１の絶縁層
２２４：導体パターン（導電体層） ２２６：第２の絶縁層
２３０：電源パターン ２３２Ａ、２３２Ｂ：ビアコンタクト

Claims (11)

1. センターポールと、前記センターポールの外周に配置されたボビンとを有し、
   前記ボビンは、導体パターンを含むフレキシブル基板と、前記フレキシブル基板の外周側に設けられかつ前記導体パターンと電気的に絶縁されたボイスコイルとを含み、
   さらに前記導体パターンと前記センターポールとの間に形成された静電容量を検出する第１の検出手段と、
   前記フレキシブル基板の導体パターンの近傍に設けられた温度検出素子と、
   前記温度検出素子によりボイスコイルの温度を検出する第２の検出手段とを有する、
   スピーカー。
2. 前記温度検出素子は、前記導体パターンに電気的に直列に接続される、請求項１に記載のスピーカー。
3. 前記温度検出素子は、前記導体パターンに熱的に結合される、請求項１に記載のスピーカー。
4. 前記導体パターンは、窪んだ領域を含み、窪んだ領域内に前記温度検出素子の端子に接続される電源パターンが形成される、請求項１ないし３いずれか１つに記載のスピーカー。
5. 前記導体パターンと前記電源パターンとは、絶縁層上に同時に形成される、請求項４に記載のスピーカー。
6. 前記導体パターンおよび前記電源パターン上に別の絶縁層が形成され、当該別の絶縁層上に前記温度検出素子が配置される、請求項４または５に記載のスピーカー。
7. 前記温度検出素子は、前記別の絶縁層に形成されたビアコンタクトを介して電源パターンに接続される、請求項６に記載のスピーカー。
8. 前記フレキシブル基板は、上端および当該上端に対向する下端を有し、前記フレキシブル基板を円筒状に成形することで前記ボビンが形成され、前記温度検出素子は、磁場発生部材および前記センターポールと干渉しない前記上端近傍に配置される、請求項１ないし７いずれか１つに記載のスピーカー。
9. 請求項１ないし８いずれか１つに記載のスピーカーと、
   前記ボイスコイルに音声信号を供給する供給手段と、
   前記第１および第２の検出手段の検出結果に基づき前記供給手段からの音声信号の供給を制御する制御手段と、を有する音響装置。
10. 前記第１の検出手段は、前記ボビンの速度または位置を検出する、請求項９に記載の音響装置。
11. 前記制御手段は、前記第１の検出手段および第２の検出手段の検出結果に応じて前記音声信号のレベルを一定以下に制限するリミッタ制御を行う、請求項９または１０に記載の音響装置。

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