JP7034979B2 - スピーカ装置 - Google Patents

Description

本開示は、主に車載用のスピーカ装置に関する。

近年、自動車の車室内における音楽再生の環境は、手軽に高品質な音が楽しめるデジタルコンテンツの普及により、重低音まで再生される機会が多くなってきている。

自動車におけるスピーカ装置の設置場所としては、車室内に向けて音波を放射することができ、且つ装置を設けるスペースを確保する必要があるため、主にドアの内部、後部座席背面等の車室と荷室（トランク）との仕切部分、及びシート下等に限られている。

特に、低音域を再生するウーファーや重低音域を再生するサブウーファー等のスピーカ装置は比較的大型となるため、設置スペースの限られる車両に搭載するには工夫が必要である。

そこで、車載用スピーカ装置を小型化する技術として、スピーカの振動板の背面の空間体積を減らしつつ、無限大バッフルを構成するために、振動板の背面の空間を自動車の車外と連通させる技術が知られている。

例えば、特許文献１には、スピーカ装置における振動板の音出力側空間と逆側の背圧側空間と車両外部とが車両前方空間部を画する壁部を貫通する排気用ポートにて連通された構成が、開示されている。このような構成により、車両前方空間部に設けられたスピーカ装置における振動板が振動する際に、車両前方空間部と車両外部とを画する壁部を貫通する排気用ポートを通して振動板の背圧側空間と車両外部との間で空気の出入りが可能となるので、振動板の振動が背圧側空間の空気によって邪魔されることがない。そして、スピーカ装置が設けられた車両前方空間部と車両外部とは壁部を挟んで隣接するので、その壁部を貫通する排気用ポートを比較的小規模なものとすることができる。

特開２０１３－１７６０３０号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、排気用ポートが車外と連通しているため、車外へ不要な音が放射されるおそれがある。また、排気用ポートから、スピーカに雨水や、砂、塵、虫が侵入するおそれがある。

本開示は、このような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、小型化を図りつつ低音域の再生を実現し、且つ車外への不要な音漏れを抑制することができるスピーカ装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために本開示に係るスピーカ装置は、磁気回路と、前記磁気回路に接続される振動板と、前記磁気回路を電気的に駆動することにより前記振動板を振動させて音波を発生可能なスピーカユニットと、前記スピーカユニットに接続されるヘルムホルツ共鳴器と、を有するスピーカ装置であって、前記振動板は、密閉空間に指向する第１面と、前記第１面の裏面であり前記ヘルムホルツ共鳴器側に指向する第２面とを有し、前記ヘルムホルツ共鳴器は、前記第２面に指向するチャンバと、前記チャンバに接続され、前記チャンバとの接続部の他に開口部を有し前記接続部から前記開口部までが車室内空間側に配置されるダクトと、で構成され、前記チャンバの容量は、前記密閉空間の容量よりも少なく、前記磁気回路は、前記振動板の前記第２面側に接続される。

上述のスピーカ装置において、前記チャンバの容量は、前記チャンバ内の空気の質量が前記振動板に対して空気負荷質量として作用する容量であってもよい。

上述のスピーカ装置において、前記ヘルムホルツ共鳴器は、共振周波数が前記スピーカユニットの使用帯域周波数の上限より高く設定されてもよい。

上述のスピーカ装置において、前記密閉空間は、密閉容器で構成されてもよい。

上述のスピーカ装置において、前記密閉容器は、自動車を構成する構造体を含んで構成されてもよい。

上記手段を用いる本開示に係るスピーカ装置によれば、小型化を図りつつ低音域の再生を実現し、且つ車外への不要な音漏れを抑制することができる。

本開示の第１の実施形態に係るスピーカ装置の斜視図である。 本開示の第１の実施形態に係るスピーカ装置の断面図である。 本開示の第１の実施形態に係るスピーカ装置を車に搭載した場合の断面図である。 本開示の第１の実施形態に係るスピーカ装置と従来のスピーカ装置の周波数特性を比較した図である。 本開示の第１の実施形態に係るスピーカ装置のコーン紙側とダクト側の周波数特性を比較した図である。 本開示の第1の実施形態のバリエーションであるスピーカ装置において、車室内側にダクト側を上向きに搭載した場合の断面図である。 本開示の第1の実施形態のバリエーションの比較例であるスピーカ装置において、車室内側にコーン紙側を上向きに搭載した場合の断面図である。 図６及び図７で開示したスピーカ装置の設置状態の違いによる周波数特性を比較した図である。 本開示の第２の実施形態に係るスピーカ装置の斜視図である。 本開示の第２の実施形態に係るスピーカ装置の断面図である。

以下、本開示の実施形態を図面に基づき説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態では、自動車に搭載された状態で、振動板２１を挟んでヘルムホルツ共鳴器と密閉容器が構成されるスピーカ装置１について説明する。

図１は、本開示の第１の実施形態に係るスピーカ装置１の斜視図である。図２は、図１においてダクト１２とキャップ部２１ａの中心を通るように切断したスピーカ装置１の断面図である。図３は、スピーカ装置１を自動車に搭載した場合の断面図である。以下、これらの図に基づきスピーカ装置１の構成について説明する。

図１、２に示すように、スピーカ装置１は、ケース１１が、スピーカユニット２０の枠２９とフレーム２７に接続されて構成されている。ケース１１（チャンバ）は、一部に開口部を有するダクト１２が構成されている。ケース１１は、スピーカユニット２０と接合して空間（図２の空間５１、５２、５３）を形成する。当該空間は、ダクト１２が構成する空間５４を介して外部と連通する。

スピーカユニット２０は、振動板２１と磁気回路２２を有している。以下、スピーカユニット２０の振動板２１側を前面側、磁気回路２２側を背面側とする。振動板２１は中央にドーム状のキャップ部２１ａが形成され、中央部から径方向にコーン部２１ｂが延びており、コーン部２１ｂの周縁にはエッジ部２１ｃが形成されている。そして、コーン部２１ｂは、中央基端部分が磁気回路２２のコイルが巻かれたボイスコイルボビン２３に接続され、ボイスコイルボビン２３の振動が伝達される。つまり、スピーカユニット２０の軸方向と振動板２１の振幅方向は同一となる。

磁気回路２２は、背面側が円板状のフランジ部２４ａをなし、当該フランジ部２４ａの中央から円柱部２４ｂが突出しているヨーク２４を有している。ヨーク２４の円柱部２４ｂの外周にはボイスコイルボビン２３が軸方向に振動可能に配置され、さらにその外周側には環状のマグネット２５が配設されている。当該マグネット２５はヨーク２４のフランジ部２４ａと環状のプレート２６により挟持されている。

磁気回路２２は、主にこれらボイスコイルボビン２３、ヨーク２４、マグネット２５、プレート２６から構成されており、マグネット２５が磁気回路外側に配置された、いわゆる外磁型の磁気回路である。

また、プレート２６から振動板２１のエッジ部２１ｃまでをフレーム２７が覆っている。フレーム２７の内面からボイスコイルボビン２３外周との間にはダンパ２８が設けられ、当該ダンパ２８がボイスコイルボビン２３を振動可能に支持している。

また図示しないが、各ボイスコイルボビン２３にはボイスコイルが巻かれており、そのボイスコイルは信号伝達回路と接続されており、ボイスコイルボビン２３は当該信号伝達回路からの信号を受けて振動する。信号伝達回路には、例えば、ローパスフィルタや、バンドパスフィルタのように、ボイスコイルボビン２３を駆動する周波数帯域を制限するデバイスを組み込むことができる。

次に、ヘルムホルツ共鳴器について説明する。ヘルムホルツ共鳴器は、ヘルムホルツ共鳴器の構造の、Ｌ：ダクト長、Ｓ_ｐ：ダクト断面積、Ｖ：チャンバ内体積（バックキャビティ容量）と、ｃ：音速、ｆ_ｐ：ポート共振周波数が、以下の数１の関係で示される。

本実施形態に係るスピーカ装置１において、振動板２１とケース１１が作る空間であるバックキャビティ容量（図２の空間５１、５２、５３を合計した体積）を０．８［リットル］、ダクト１２の開口断面積を６１５４［ｍｍ^２］、ダクト長を１００［ｍｍ］、気温２０℃の場合の音速を３４３．２[ｍ／ｓ]とすると、数１より、ポート共振周波数は約４８０［Ｈｚ］になる。そのため、ローパスフィルタ等により、再生する周波数帯域をポート共振周波数以下の１００Ｈｚ以下とすることで、低音域の周波数を効率よく放射することができる。なお、バックキャビティ容量であるチャンバの体積は、０．６リットル以上であり３リットル未満であることが望ましい。

図３は、本開示の第１の実施形態に係るスピーカ装置１を車に搭載した場合の断面図である。スピーカ装置１は、バッフルプレート３１の開口部に設置される。具体的には、枠２９をバッフルプレート３１にねじ止めや接着等により固定する。バッフルプレート３１は、車内のダッシュボードに取り付けられ、エンジンマウント部との間の隔壁であるバルクヘッド（不図示）との間に配置されるエンクロージャ３２と、スピーカ装置１とともに密閉空間３３を構成する。スピーカ装置１の、ダクト１２は車の搭乗員が乗る車室内空間側に配置される。スピーカ装置１を駆動すると、ダクト１２から音波が車室内空間に放射される。

図４は、本開示の第１の実施形態に係るスピーカ装置１と従来の密閉型スピーカ装置の周波数特性を比較した図である。第１の実施形態に係るスピーカ装置は図３に示すように配置され、密閉空間３３の容積は６０リットルである。従来の密閉型スピーカ装置と本開示のスピーカ装置１はいずれも同じ１６[ｃｍ]の口径のスピーカユニットを用いている。また、従来の密閉型スピーカ装置は、６０リットルの体積を有する密閉のスピーカボックスにスピーカユニットを取り付けたものである。図４は、横軸に周波数（単位はＨｚ）、縦軸に所定条件で測定したスピーカの音圧レベル（単位はｄＢ）を示す。図４の実線はスピーカ装置１を示し、破線は従来の密閉型スピーカ装置の特性を示す。

図４の一点鎖線で囲んだ部分で示すように、スピーカ装置１は、５０Ｈｚ付近で音圧レベルの極大値を有する。スピーカ装置１の５０Ｈｚ付近の音圧レベルは、密閉型スピーカ装置の音圧レベルよりも高い。すなわち、スピーカ装置１は、密閉型スピーカ装置に比べてスピーカの最低共振周波数ｆ_０を低くすることができるため、低音再生能力を高くすることができる。スピーカ装置１は、バックキャビティ容量が少ないため、バックキャビティ内の空気の質量が振動板２１に対して空気負荷質量として作用することにより、振動板２１の移動質量Ｍｍｓ（Ｍｏｖｉｎｇ Ｍａｓｓ）が増加し、最低共振周波数ｆ_０を低下させる効果がある。

図５は、本開示の第１の実施形態に係るスピーカ装置１のコーン紙側（スピーカユニット２０の前面側）に放射される音波と、ダクト側に放射される音波の周波数特性を比較した図である。図５は、横軸に周波数（単位はＨｚ）、縦軸に所定条件で測定したスピーカの音圧レベル（単位はｄＢ）を示す。図５の実線はダクト側（スピーカユニット２０の背面側）に放射される音波であり、破線はコーン紙側に放射される音波を示している。コーン紙側とは、スピーカユニット２０のヘルムホルツ共鳴器を構成する側と反対側の面をいう。

図５で示すように、１００Ｈｚ以下の周波数領域において、ダクト側に放射される音波と、コーン紙側に放射される音波はほぼ同じ周波数特性を示している。すなわち、ウーファーとして使用する周波数領域において、ダクト側を車室内空間に指向させた場合と、コーン紙側を車室内空間に指向させた場合で、同じ低音再生能力を有することになる。

図６は、本開示の第1の実施形態のバリエーションであるスピーカ装置１において、スピーカ装置１を自動車内にダクト１２側を上向きに搭載した場合の断面図である。具体的には、バッフルプレート３４と、エンクロージャ３５と、自動車内フロア４０により密閉空間３６を構成する密閉容器に、スピーカ装置１のコーン紙側（すなわちダクト１２の反対側）の面を指向させてスピーカ装置１を取り付けた状態を示している。なお、自動車内フロア４０は、自動車を構成する構造体である。そのため、ダクト１２側が自動車の車室内空間に連通する構成である。なお、図６において、密閉空間３６の体積は約６０リットルである。

図７は、本開示の第1の実施形態のバリエーションの比較例であるスピーカ装置において、スピーカ装置１を自動車内にコーン紙側を上向きに搭載した場合の断面図である。具体的には、バッフルプレート３４と、エンクロージャ３５と、自動車内フロア４０により密閉空間３６を構成する密閉容器に、スピーカ装置１のダクト１２の反対側の面を指向させてスピーカ装置１を取り付けた状態を示している。そのため、コーン紙側が自動車の車室内空間に連通する構成である。なお、図７において、密閉空間３６の体積は約６０リットルである。

図８は、図６で示すスピーカ装置１を自動車内にダクト１２側を上向きに搭載した場合（以下ダクト側）に車室内空間に放射される音波と、図７で示すスピーカ装置１を自動車内にコーン紙側を上向きに搭載した場合（以下コーン紙側）に車室内空間に放射される音波を比較した周波数特性図である。図８は、横軸に周波数（単位はＨｚ）、縦軸に所定条件で自動車の車室内空間で測定したスピーカの音圧レベル（単位はｄＢ）を示す。図８の実線は、図６で示すスピーカ装置１を自動車内にダクト１２側を上向きに搭載した場合の周波数特性であり、破線は図７で示すスピーカ装置１を自動車内にコーン紙側を上向きに搭載した場合の周波数特性である。

図８で示すように、５００Ｈｚ以下の周波数領域において、ダクト１２側の周波数特性はコーン紙側の周波数特性よりも高い音圧レベルを維持している。特に、ウーファーとして使用する１００Ｈｚ以下の領域において、ダクト側はコーン紙側に対して、３［ｄＢ］程度音圧が高いことがわかる。すなわち、図８の結果より、ヘルムホルツ共鳴器を構成するダクト１２側を車室内空間に向けて設置し、コーン紙側を密閉空間３６に指向させた場合、低音再生能力を高くできることが明らかである。

このように、振動板２１の第１面側に密閉空間を構成する密閉容器を構成し、第１面の裏面である振動板２１の第２面側にヘルムホルツ共鳴器を構成することにより、口径の小さなスピーカユニットであっても、スピーカ装置１の最低共振周波数ｆ_０を低くし、より低い低音域（低周波数域）まで再生可能である。これにより、当該スピーカ装置１は、小型でありながら、低音域まで再生することができる。

また、振動板２１の第１面側は密閉容器に指向していることにより、振動板２１の第１面から放射される音波と、第２面から放射される音波が干渉することなく、打ち消すことがないため、安定した低音再生能力を確保することができる。比較例として、第１面側を自動車の車外に連通部を連通させる構成を考える。振動板２１の第２面が放射する音（音波）を自動車の車室内空間で鑑賞している場合に、自動車の窓を開放することにより、振動板２１の第１面が放射する音波が、自動車の車外から開放した窓を通じて車室内空間に侵入し、振動板２１の第２面が放射する音波と干渉し、相殺することで低音再生能力が低下するおそれがある。しかし、本開示にかかるスピーカ装置１の構成では、第１面側が車外に連通していないために当該干渉のおそれがなく、低音再生能力を安定させることができる。また、第１面側が車外に連通していないため、車外へ不要な音（音波）が放射されるおそれ、すなわち音漏れを軽減することができる。また、連通部からの雨水や、砂、塵、虫が侵入することを防止することができる。

以上で本開示の第１の実施形態の説明を終えるが、本開示の態様はこの実施形態に限定されるものではない。

以上の第１の実施形態の説明では、振動板２１の第２面側（背面側）に磁気回路２２を接続し、振動板２１の第１面側（前面側）に密閉空間を構成する密閉容器を構成し、第１面の裏面である振動板２１の第２面側（背面側）にヘルムホルツ共鳴器が構成、すなわち、磁気回路２２側（背面側）にヘルムホルツ共鳴器が指向する構成について説明してきた。しかし本開示は、磁気回路２２を接続した振動板２１の面を第１面側（背面側）とする、すなわち、磁気回路２２側に密閉容器が指向する構成であっても構わない。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、振動板２１’を挟んでヘルムホルツ共鳴器と密閉容器が一体に構成されるスピーカ装置１’について説明する。尚、第１実施形態と共通する構成要素の符号は実施形態１で使用した符号にダッシュ（’）を付して表示する。

図９は、本開示の第２の実施形態に係るスピーカ装置１’の斜視図である。図１０は、図９においてダクト１２’とキャップ部２１ａ’の中心を通るように切断したスピーカ装置１’の断面図である。以下、これらの図に基づきスピーカ装置１’の構成について説明する。

図９、１０に示すように、スピーカ装置１’は、スピーカユニット２０’と、エンクロージャ３２’、ケース１１’が接合されて構成されている。ケース１１’は、一部に開口部を有するダクト１２’が構成されている。エンクロージャ３２は、スピーカユニット２０’と接合して密閉空間を形成する。またケース１１’は、スピーカユニット２０’と接合して空間５２’を形成する。当該空間５２’は、ダクト１２’が構成する空間５４’を介して外部と連通する。また、ケース１１’は、ダクト１２’とともにヘルムホルツ共鳴器を構成する。

スピーカユニット２０’は、第１の実施形態のスピーカユニット２０と同様のユニットである。スピーカユニット２０’の枠２９’を、エンクロージャ３２’とケース１１’で挟持し、スピーカユニット２０’を固定する。図１０で、それにより振動板２１’の上方にはヘルムホルツ共鳴器が形成され、下方には密閉容器が形成される。ケース１１’と、スピーカユニット２０’（振動板２１’）が構成する空間５２’の体積は０．８リットルであり、ダクト１２’が構成する空間５４’を介して外部と連通する。また、密閉容器内の空間３３’の体積は３リットルである。音響的に２リットル以上であることが好ましく、スピーカ装置１’全体の自動車に搭載するための大きさを勘案すると６０リットル以下の範囲であることが望ましい。スピーカユニット２０’を駆動することにより、ダクト１２’を通じて音波を放射することができる。

このように、自動車を構成する構造体とは独立して、振動板２１’を挟んでヘルムホルツ共鳴器と密閉容器が一体に構成されるスピーカ装置１’においても、ダクト１２’を通じて音波を放射し、低音再生能力を高めることができる。

以上の第２の実施形態の説明では、振動板２１’の第１面側（背面側）に磁気回路２２を接続し、振動板２１’の第１面側（背面側）に密閉空間を構成する密閉容器を構成し、第１面の裏面である振動板２１’の第２面側（前面側）にヘルムホルツ共鳴器が構成、すなわち、磁気回路２２’側（背面側）に密閉容器が指向する構成について説明してきた。しかし本開示は、磁気回路２２’を接続した振動板２１’の面を第２面側（前面側）とする、すなわち、磁気回路２２’側にヘルムホルツ共鳴器が指向する構成であっても構わない。

上記各実施形態におけるスピーカユニット２０は、円形スピーカであるが、スピーカ形状はこれに限られず、例えば矩形スピーカでもよい。

１ スピーカ装置
１１、１１’ ケース
１２、１２’ ダクト
２０、２０’ スピーカユニット
２１、２１’ 振動板
２１ａ、２１ａ’ キャップ部
２１ｂ、２１ｂ’ コーン部
２１ｃ、２１ｃ’ エッジ部
２２、２２’ 磁気回路
２３、２３’ ボイスコイルボビン
２４、２４’ ヨーク
２４ａ、２４ａ’ フランジ部
２４ｂ、２４ｂ’ 円柱部
２５、２５’ マグネット
２６、２６’ プレート
２７、２７’ フレーム
２８、２８’ ダンパ
２９、２９’ 枠
３１、３４ バッフルプレート
３２、３２’、３５ エンクロージャ
３３、３３’、３６ 密閉空間
４０ 自動車内フロア

Claims (5)

1. 磁気回路と、前記磁気回路に接続される振動板と、前記磁気回路を電気的に駆動することにより前記振動板を振動させて音波を発生可能なスピーカユニットと、
   前記スピーカユニットに接続されるヘルムホルツ共鳴器と、
   を有するスピーカ装置であって、
   前記振動板は、密閉空間に指向する第１面と、前記第１面の裏面であり前記ヘルムホルツ共鳴器側に指向する第２面とを有し、
   前記ヘルムホルツ共鳴器は、前記第２面に指向するチャンバと、前記チャンバに接続され、前記チャンバとの接続部の他に開口部を有し前記接続部から前記開口部までが車室内空間側に配置されるダクトと、で構成され、
   前記チャンバの容量は、前記密閉空間の容量よりも少なく、
   前記磁気回路は、前記振動板の前記第２面側に接続される、
   スピーカ装置。
2. 前記チャンバの容量は、前記チャンバ内の空気の質量が前記振動板に対して空気負荷質量として作用する容量である請求項１に記載のスピーカ装置。
3. 前記ヘルムホルツ共鳴器は、共振周波数が前記スピーカユニットの使用帯域周波数の上限より高く設定される請求項１又は２に記載のスピーカ装置。
4. 前記密閉空間は、密閉容器で構成される請求項１から３のいずれか一項に記載のスピーカ装置。
5. 前記密閉容器は、自動車を構成する構造体を含んで構成される請求項４に記載のスピーカ装置。

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