JP7217238B2 - スピーカ構造 - Google Patents

Description

産業発明のための本特許出願は、スピーカ薄膜の振動モードの制御用の薄膜スピーカの構造に関する。

薄膜スピーカの様々な種類が知られている。この種類のスピーカには、特に、中周波数から高周波数の薄膜の振動に関する問題があって、スピーカが発する音の品質を損なう。

従来技術において、薄膜の振動に関する問題は、薄膜の様々な点に塊を追加することによって解決されている。

特許文献１は、円形または楕円形の輪に形作られている塊がスピーカの薄膜の表面の周辺に配置されている薄膜スピーカ開示している。

特許文献２は、円盤状の形の１個の中央の塊が薄膜の下に配置されている薄膜スピーカを開示している。

特許文献３は、複数の円盤状の塊が、交互に、不連続に、同心の輪の円形の線に沿ってスピーカの薄膜上に配置されている薄膜スピーカを開示している。

前述の従来文献は、薄膜の振動モードの量を減少させるために、スピーカの薄膜の表面の特定の塊の分散に関する。しかし、そのような従来の解決策は、望まない振動を抑制するための重量及び塊の配置にだけ基づいている。その結果、振動させる薄膜の総重量が相当に増加するが、それは、塊が追加されたからであって、塊のない同じスピーカよりもスピーカの性能が低くなり、効率が減少する。

これらの特許文献は、振動を効果的に制御しながら、これらの塊の重さをどのように減少させるのかについての一切の教えを含んでいない。

特許文献４は、スピーカの幅を増加させることなく、スピーカ薄膜の放射表面を増加させる解決策を開示している。そのような解決策は、薄膜（ダイヤフラム）の構造に接続されている中央の柄を提供し、中央の柄は、柄から片持ちの態様で突き出している主な薄膜上に配置されている。そのような柄は、主な薄膜から主な薄膜と共に一貫して運動する他の薄膜に振動を伝達するのに使用される。全ての薄膜は、共に動き、スピーカ薄膜の総質量は、全ての薄膜の質量の合計に等しい。そのような構造は、単一の薄膜を備えているが、より大きな放射表面を備えているスピーカに等しい。

スピーカ薄膜は、振動しなければならない変形可能要素であり、密度が高く（約９００ｋｇ／ｍ^３）剛性のある変形不能振動要素よりも非常に低密度（約１７０ｋｇ／ｍ^３）であることを考慮しなければならない。そのため、特許文献４で使用されている薄膜は、振動要素を構成するのには適していない。逆に、これらの薄膜の機能は、音を放出しながら振動することである。そのため、スピーカの主な薄膜の振動を制御する問題を解決したい当該分野の専門家は、柄に接続されている複数の振動する薄膜を提供する特許文献４のようなシステムの使用を考慮しないことであろう。実際に、そのようなシステムは、柄から片持ちの態様で突き出しており振動している薄膜の振動の制御をより困難にする。

また、特許文献４に開示されている解決策は、主な薄膜のピストン運動だけの低周波には適切かもしれないが、他の薄膜に伝達され制御できない主な薄膜のさまざまな振動モードを有している高周波に対しては適切ではない。

特許文献５は、全てのスピーカで通常使用されている中心揃え装置、スパイダー、または縁に存する機械的サスペンションと全く同様に、ボイスコイルを空気隙間の中心に揃えるのに適しているスピーカ薄膜に接続されている磁気サスペンションを開示している。明らかに、そのような磁気サスペンションは、薄膜の周辺位置、または、いずれにせよ、ボイスコイルに相対的な周辺位置に配置されなければならない。さらに、スピーカの振動を制御するためには、薄膜に接続されている塊が全ての方向に自由に振動できなければならないことを考慮しなければならず、そうでなければ、振動制御が達成できない。特許文献５は、案内磁界を発生する２個の磁石の間に配置されている薄膜に接続されている磁石で構成されており突き出している塊を開示しており、そのため、薄膜に接続されている磁石は、垂直の運動だけに拘束されている。そのため、薄膜に接続されている磁石は、全ての方向に自由に振動せず、薄膜の振動を制御することができない。

特許文献６は、薄膜スピーカを開示していない。この文献は、圧電または圧電セラミック振動子を開示しており、振動の制御は、圧電変換器によって得られ、振動の制御に塊は必要ない。そのような、圧電変換器には薄膜がなく、音を放出するためには剛性のある振動表面に接触させる必要のある加振機として動作する。吸引キャップが、振動が伝達される机に固定するために振動子上に適用されている。吸引キャップは柔らかく、変形可能な材料で、非常に密度が低く、約２００Ｋｇ／ｍ^３であって、振動制御のための剛性の高い変形不能な塊として使用することはできない。

特許文献７は、ダイアフラム上に配置されている平行６面体を備えているスピーカを開示している。

国際公開第２００５／１０１８９９号 欧州特許出願公開第２６６３０９２号サーチレポート 米国特許第８６９５７５３号明細書 特開第２００８０４２６１８号公報 特開第２０１００６２８２８号公報 韓国公開特許第２００７０１０４０４４号公報 米国特許第３０７４５０４号明細書

本発明の目的は、中周波数及び高周波数における薄膜振動モードの制御が可能なスピーカ構造を提供し、薄膜に適用する塊を最小にして、その結果、スピーカの効率及び性能を最大にことによって従来技術の欠点を少なくすることである。

本発明の他の目的は、スピーカの薄膜上に挿入されている要素の性能を増加させ、要素を要素の総重量に関わらず要素の形状寸法に依存して様々な周波数で薄膜と能動的に相互作用する物体に変換することである。

これらの目的は、独立請求項１の特徴を備えている本発明によって達成される。

本発明の有利な実施態様は、従属請求項に記載されている。

本発明のスピーカは、
空隙が形成されている磁性ユニットと、
円柱状の支持部に取り付けられており、磁性ユニットの空隙の中で軸線方向に動くように配置されているボイスコイルと、
磁性ユニットに固定されているバスケットと、
ボイスコイルの円柱状の支持部に固定されており、バスケットに接続されている薄膜と、
薄膜の周辺部分及びバスケットに接続されている縁と、
薄膜に固定されている少なくとも１個の振動要素と、
を有している。

振動要素は、
薄膜に固定されている基部と、
基部から突き出している柄と、
片持ちの態様で柄から突き出している塊と、
を有している。

塊は、剛性のある変形不能材料であって、いかなる方向にも自由に振動する。

塊が片持ちの態様で柄から突き出しているような振動要素の幾何学的な構成のために、中周波数及び高周波数で薄膜の振動を制御しながら、スピーカの振動要素の重量を最小にし、音響効果及び音響性能を最大にすることができる。

本発明の追加の特徴は、単に説明のためであって限定のためではない実施形態を参照する以下の詳細な説明から明確になるであろう。

図１は、本発明の第１の実施形態のスピーカ構造の軸線方向の断面図である。 図２は、振動要素を備えていないスピーカに対して実施されたＦＥＡ（有限要素解析）シミュレーションにおける周波数に対する音圧レベル（ＳＰＬ）のグラフであって、仮想マイクロフォンがスピーカの軸線に沿ってスピーカから１メートルの距離に配置されている。 図３は、本発明の振動要素を備えているスピーカにおいて実施されたＦＥＡシミュレーションの結果も示している図２のようなグラフである。 図４は、振動要素を備えていないスピーカ内の約１３ｋＨｚの周波数での薄膜の変形のＦＥＡシミュレーションを示している線図である。 図５は、振動要素を備えているスピーカ内の約１３ｋＨｚの周波数での薄膜の変形のＦＥＡシミュレーションを示している線図である。 図６は、振動要素を備えていないスピーカ内の１５ｋＨｚの周波数でのＳＰＬのＦＥＡ視覚シミュレーションを示している線図である。 図７は、振動要素を備えているスピーカ内の１５ｋＨｚの周波数でのＳＰＬのＦＥＡ視覚シミュレーションを示している線図である。 図８は、マイクロフォンがスピーカの軸線に沿ってスピーカから１メートルの距離に配置されている、振動要素を備えていないスピーカ及び振動要素を備えているスピーカで実施された試験における周波数に対するＳＰＬを示しているグラフである。 図９は、スピーカに対して１５°傾斜している軸線上のスピーカから１メートルの距離に配置したマイクロフォンを使用した実験試験を示していること以外は図８と同じグラフである。 図１０は、スピーカに対して３０°傾斜している軸線上のスピーカから１メートルの距離に配置したマイクロフォンを使用した実験試験を示していること以外は図８と同じグラフである。 図１１は、図１と同じ図であるが、本発明のスピーカの変形例を示している。 図１２は、図１と同じ図であるが、本発明のスピーカの変形例を示している。 図１３は、振動要素の変形例を示している透視図である。 図１４は、振動要素の変形例を示している透視図である。

図を参照して、参照番号１００によって指し示される本発明のスピーカが開示される。

図１を参照して、スピーカ１００は、空隙Ｔが形成されている磁性組み立て品Ｍを有している。

ボイスコイル１は、円柱状の支持部１０に取り付けられており、磁性組み立て品の空隙Ｔ内での軸線方向の移動が可能なように配置されている。図面に示しているボイスコイル１は、ただ１個の巻線を有しているが、複数の巻線を有することができる。バスケット２は、磁性組み立て品Ｍに固定されている。

中心揃え装置３は、ボイスコイル１を磁性組み立て品の空隙Ｔ内に保持するように、バスケット２及びボイスコイルの円柱状の支持部１０に固定されている。中心揃え装置３は、少なくとも１個の弾性サスペンションを有している。中心揃え装置３は、任意採用であって、たとえば、ツイータスピーカには備えられないことがあり得る。

薄膜４は、ボイスコイルの円柱状支持部１０に固定されている。薄膜４は、平坦な型式であるが、たとえば円錐形またはドーム形の、平坦ではない薄膜とすることもできる。平坦な薄膜は、紙の２個の層の間に配置されているハニカム構造を有し得るし、または炭素繊維、ケブラー繊維（パラアラミドベースの基質）、アルミニウム、またはノメックス（メタアラミド基質）で作られ得る。薄膜４は、変形可能であて、１７０ｋｇ／ｍ^３の密度を有している。

薄膜４は、ボイスコイル１に対して遠方の位置の円柱状の支持部１０の縁に溶接またはのり付け１１によって固定されている。図示の目的で、薄膜４は、円柱状の支持部１０の直径のほぼ２倍の直径の円状の形になっている。

縁５は、バスケット２及び薄膜４の周辺部に接続されている。縁５は、弾性サスペンションを有している。

半径方向の磁場内にあるボイスコイル１を電流が通過すると、ローレンツの法則に従って力が発生し、それによってボイスコイルの円柱状の支持部１０が軸線方向に変位し、それによって音を発生させる薄膜４が運動し振動する。そのため、スピーカ１００は、薄膜４の変位によって音を発生する。

図示の目的で、磁性ユニットＭは、基部６０及び側壁６１を有しているカップの形の下側の極板６を有し得る。磁石７は、下側の極板の基部６０上に配置されており、上側の極板８は磁石上に配置されている。上方から見ると、空隙Ｔは、上側のプレート８の側部表面と下側の極板の側部表面６１との間のトロイド状の空隙として定められている。

図面にはこの型の磁性ユニットを示しているが、明らかに、中央コア（Ｔ－Ｊｏｋｅ）を備えている極板及び極板のコアの周囲に配置されているトロイド状の磁石を備えている磁性ユニットなどの同等の磁性ユニットを使用することが可能である。また、複数の巻線のコイルを備えている複数の空隙を備えている磁性ユニットを使用することができる。

本発明によれば、少なくとも１個の振動要素９が薄膜４内に配置されている。少なくとも１個の振動要素９が、薄膜の振動モードに関する設定周波数で最大の変位値となる薄膜４の表面の領域に配置されていることが有利である。

図１の例において、振動要素９は、薄膜４の中央部分に配置されている。

振動要素９は、基部９０、基部から突き出している柄９１、及び柄９１から片持ちの態様で突き出している塊９２を有している。

基部９０は、薄膜４に固定するために使用されている。基部は、薄膜の周波数応答への影響が最小である。そのため、基部９０は、薄膜の総重量を増加させないためにできるだけ小さくなければならない。基部２０は、円盤状の板に形作られ得る。

柄９１の機能は、塊９２を、片持ちの態様で支持することである。しかし、柄９１の長さは、薄膜の周波数応答に影響するが、それは、塊９２の重心を変位させているからである。そのため、柄９１の長さは、得ようとする周波数応答に従って、つまり、制御しようとする薄膜４の振動に従って選択される。

塊９２は、その重量ではなく、柄９１からの突き出しに従って薄膜の周波数応答に影響する。そのため、塊の寸法は、得ようとする周波数応答に従って選択される。

塊９２は、追加の振動を発生させないように剛性があって、変形不能な要素である。

塊９２は、全ての方向に自由に振動しなければならない。実際に、塊９２は、薄膜４の垂直方向の運動によって作動するが、その発散機能は、水平方向の（振動）運動で発揮される。

塊９２は、薄膜とは異なる材料で作られており、薄膜４よりも比重が高い。塊９２は、たとえばＡＢＳなどの硬質プラスチックで作られており、密度が９００Ｋｇ／ｍ^３であることが有利である。

塊９２は、その重量を増加させないために可能な限り薄い円盤状の形であることが有利である。塊９２の厚さは、約０．５～１．５ｍｍとすることができる。

塊９２の直径、つまり最大幅は、薄膜４の直径の約１／１２～１／８である。

振動要素９は、たとえば射出成形によって、一片のプラスチック材料で作ることができる。

柄９１は、基部９０及び塊９１に対して中央位置に配置されている。そのような場合、振動要素９は、実質的に「Ｈ」形の断面を有している。塊９２は、基部９０よりも長い直径を有している。

以下は、厚さが２ｍｍで直径が１００ｍｍの紙の２個の層の間に配置されているハニカム状の平坦な薄膜を備えている従来のスピーカのいくつかの比較例及び薄膜の中央部分に振動要素が適用されている本発明のスピーカである。

図２は、振動要素を備えていないスピーカのＦＥＡシミュレーションの結果を示しており、周波数に対する音圧レベル（ＳＰＬ）を示している。図２のグラフに示しているように、ＳＰＬのピークは、約１３ｋＨｚの周波数（ｆｃ）において得られる。その代わりに、ＳＰＬは、１３ｋＨｚよりも高い周波数に対して急激に低下する。これらの結果によって、振動要素９の寸法が、ＳＰＬのピークを減衰させるために、及びより高い周波数でのＳＰＬの減少を避けるために、約１５ｋＨｚの周波数（ｆｃ）で動作するように選択される。

図３を参照すると、振動要素９を備えているシミュレーションの結果が、振動要素を備えていないＦＥＡシミュレーションの結果に重ねられている。グラフに示しているように、振動要素を備えている場合、最小値が約１３ｋＨｚの周波数ｆｃで得られるが、これは、振動要素９がその周波数での薄膜の振動の吸収に貢献しているからである。その代わりに、ＳＰＬのピークが約１７ｋＨｚの周波数ＦＤで得られ、それは振動要素なしで得られるＳＰＬの減少を補っている。

また、ＦＥＡシミュレーションが、振動要素を備えている薄膜および備えていない薄膜の物理的な変形及び応力に対して実施された。

図４を参照すると、約１３ｋＨｚの周波数で、振動要素を備えていない薄膜は、中央部分が大きな変形を被っている。そのため、薄膜の中央部分に振動要素を配置することが決定された。

その代わりに、図５を参照すると、約１３ｋＨｚの周波数で、振動要素を備えている薄膜は、中央部が小さい変形を被っているのに対して、振動要素は最大の変形を被っている。

さらに、ＳＰＬのシミュレーションが所与の周波数で横方向の横断平面に沿ってスピーカの表面の周辺で実施された。

図６を参照すると、薄い色の帯で示している放射ローブが、振動要素を備えていないスピーカの場合、１５ｋＨｚではっきりしている。ローブは、振動要素を備えていないスピーカのふるまいが、１５ＫＨｚの周波数では最適ではないことを示している。その結果、スピーカからの距離及びスピーカの軸線に対する傾斜のために、放射ローブに比例して断片化している異なる音圧レベルの領域が存在することになる。

その代わりに、図７に示しているように、振動要素を備えているスピーカの場合、放射ローブはほとんど完全に消えている。薄膜４の上方の濃い色の部分は、良好な音の拡散を示しており、それは、スピーカが対応しているすべての領域において実質的に一様である。

振動要素９の寸法は、ＦＥＡシミュレーションに従って選択された。そのような特定の場合、たとえば、柄９１は、高さが約２～３ｍｍになり、塊９２は、直径が約６～１０ｍｍになるように選択された。言い換えると、塊９２の直径は、薄膜の直径の１／１０未満である。振動要素９の総重量は０．０５ｇであって；５ｇである薄膜４及び縁５の重量の和を考慮すると、振動要素は、薄膜４及び縁５の重量の１％を占めている。薄膜４と縁５の重量の製造公差は、約５％である。そのため、振動要素は、薄膜４の重量の５％未満、つまり薄膜の製造公差未満の重量を有している。

振動要素９は、物理的に作られ、薄膜４の中央部分に適用されている。シミュレーションの結果が正しかったことを確かめるために、スピーカから１メートルの距離のスピーカの軸線に対して揃った位置にマイクロフォンを配置して振動要素を備えていないスピーカのＳＰＬ及び振動要素を備えているスピーカのＳＰＬを実際に計測する実験試験が実施された。

図８にはっきり示しているように、実験試験は、シミュレーションと同じ結果となり、つまり、振動要素９を備えている場合に、より良い周波数応答及びより一様なＳＰＬが得られ、高い周波数でより良い性能が得られた。

マイクロフォンをスピーカの軸線に対して１５°傾斜している直線上に配置して（図９を参照）、また、マイクロフォンをスピーカの軸線に対して３０°傾斜している直線上に配置して（図１０を参照）実験試験が繰り返された。

図９及び図１０のグラフに示しているように、振動要素９を備えている解決策では、マイクロフォンがスピーカの軸線に対して軸線から外れている位置に配置されているときも、より良い結果となっている。

図１１は、変形例を示しており、振動要素９が薄膜４の下の薄膜の中央部分に配置されており；言い換えると、振動要素の塊９２は、磁性ユニットＭに面している。

図１２は、追加の変形例を示しており、スピーカは、薄膜４の上方に配置されている第１の振動要素９及び薄膜の下方に配置されている第２の振動要素１０９を有している。第２の振動要素１０９の構造は、第１の振動要素９の構造に実質的に似ている。第２の振動要素１０９は、基部１９０、基部から突き出している柄１９１、及び柄９１から片持ちの態様で突き出している塊１９２を有している。

２個の振動要素の柄９１、１９１は、薄膜４の軸線に対して軸線方向の位置に配置されている。

この場合、第２の振動要素の基部１９０及び柄１９１は、第１の振動要素の基部９０及び柄９１と同じ寸法を有している。その代わりに、第２の振動要素の塊１９２は、第１の振動要素の塊９２の直径よりも長い直径を有している。たとえば、第２の振動要素の塊１９２は、第１の振動要素の塊９２の直径よりも約２～３倍長い直径を有している。そのような解決策によって、２個の振動要素９；１０９を２個の異なる周波数に調整することが可能になる。

図１３は、振動要素の第１の変形例を示しており、柄９１は平行６面体構造を有しており、塊９２は柄９１の軸線に対して直交する軸線を備えている円柱構造を有している。

図１４は、振動要素の第２の変形例を示しており、塊９２は、柄９１から半径方向に突き出している複数のタブ９３を有している。図示の目的で、塊９２は、角度方向に等間隔の３個のタブ９３を有している。各タブ９３は、タブの厚さよりも直径が長く、丸くなっている端部の縁９４を有している。

依然として本発明の範囲内で、当該技術分野の当業者の範疇において多数の同等の変形及び修正を本発明の本実施形態に対して行うことができる。

Claims (13)

1. 空隙（Ｔ）が形成されている磁性ユニット（Ｍ）と、
   円柱状の支持部（１０）に取り付けられており、前記磁性ユニットの空隙（Ｔ）の中で軸線方向に動くように配置されているボイスコイル（１）と、
   前記磁性ユニット（Ｍ）に固定されているバスケット（２）と、
   前記ボイスコイルの円柱状の支持部（１０）に固定されており、前記バスケット（２）に接続されている薄膜（４）と、
   前記薄膜（４）の周辺部分を前記バスケットに接続する縁（５）と、
   前記薄膜（４）の振動モードを制御するように構成されており、前記薄膜に固定されている少なくとも１個の振動要素（９）と、
   を有し、
   前記振動要素（９）は、
   前記薄膜に固定されている基部（９０）と、
   基部から突き出している柄（９１）と、
   片持ちの態様で前記柄（９１）から突き出している塊（９２）と、
   を有し、
   前記塊（９２）は、剛性のある変形不能材料で作られており、
   前記塊（９２）は、いかなる方向にも自由に振動し、
   前記振動要素（９）は、射出成形されているプラスチック材料から作られている、スピーカ（１００）。
2. 前記振動要素（９）は、一片のプラスチック材料で作られている、請求項１に記載のスピーカ（１００）。
3. 前記塊（９２）は、硬質プラスチックで作られている、請求項１に記載のスピーカ（１００）。
4. 前記振動要素（９）は、前記薄膜の振動モードに関して設定周波数での最大変位値となる前記薄膜（４）の表面の領域に配置されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のスピーカ（１００）。
5. 前記振動要素（９）は、前記薄膜（４）の中央部分に配置されている、請求項４に記載のスピーカ（１００）。
6. 前記振動要素（９）の前記塊（９２）は、円盤状の形を有している、請求項１から５のいずれか１項に記載のスピーカ（１００）。
7. 前記振動要素の前記柄（９１）は、円柱状の形を有しており、前記塊（９２）に対して軸線位置に配置されている、請求項６に記載のスピーカ（１００）。
8. 前記振動要素の前記基部（９０）は、前記塊（９２）よりも直径が短い円盤状の形を有している、請求項６または７に記載のスピーカ（１００）。
9. 前記振動要素の前記塊（９２）は、前記薄膜（４）の直径の１／１０よりも短い直径を有している、請求項１から８のいずれか１項に記載のスピーカ（１００）。
10. 前記振動要素（９）は、スピーカの前記薄膜（４）及び前記縁（５）の重量の５％未満の重量を有している、請求項１から９のいずれか１項に記載のスピーカ（１００）。
11. 前記振動要素（９）は、前記塊（９２）がスピーカの外側に向いている状態で前記薄膜（４）の上方に配置されている、請求項１から１０のいずれか１項に記載のスピーカ（１００）。
12. 前記振動要素（９）は、前記塊（９２）がスピーカの前記磁性ユニット（Ｍ）に向いている状態で前記薄膜（４）の下方に配置されている、請求項１から１０のいずれか１項に記載のスピーカ（１００）。
13. 前記薄膜（４）の上方に配置されている第１の振動要素（９）と、前記薄膜の下方に配置されている第２の振動要素（１０９）と、を有する、請求項１から１２のいずれか１項に記載のスピーカ（１００）。

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