JP7455659B2 - スピーカ - Google Patents

Description

本発明は、可撓性の振動シートを振動させて音圧を発生するスピーカに関する。

特許文献１に、可撓性樹脂シートで形成された振動板を備えた電磁変換器に関する発明が記載されている。
この電磁変換器は、振動板が熱可塑性樹脂シートで形成されている。図６と図７に示されるように、振動板は、前記熱可塑性樹脂シートを熱プレス成形したものであり、天面および天面の４辺から垂れ下がる４側面を有する立体構造とされて剛性が高められている。熱可塑性樹脂シートの表面の導体箔がエッチングされて、振動板の長手方向の２つの側面にボイスコイルパターンが形成されている。

電磁変換器は、上部フレームと下部フレームを有し、下部フレームの底部上面に永久磁石が固定され、永久磁石の上にプレートが固定されて磁気回路が構成されている。上部フレームの上に上側ガスケットが固定され、下部フレームの内側に下側ガスケットが固定されている。振動板は、ボイスコイルパターンを有する側面が、磁気回路のプレートと下部フレームの間に位置している。振動板を囲む枠形状のエッジが設けられて、振動板がこのエッジを介して上側ガスケットに支持されている。エッジよりも下側に、振動板を囲む枠形状のダンパが設けられ、振動板がこのダンパを介して下側ガスケットに支持されている。

この電磁変換器は、２つの側面に設けられたボイスコイルパターンに電流が与えられると、磁気回路においてプレートと下部フレームとの開口部においてボイスコイルパターンを横断する磁束と、ボイスコイルパターンに流れる電流とで、駆動力が発生する。この駆動力によって、エッジとダンパが変形して立体構造の振動板が上下にピストン運動し、音圧を発生する。

特開２０１１－１７２１５７号公報

特許文献１に記載された電磁変換器は、立体構造の振動板が、その外側に位置する枠形状のエッジとダンパとで上下にピストン運動できるように支持されているが、この枠形状のエッジとダンパを設けることにより、電磁変換器の平面形状が大きくなっている。そのため、例えば自動車のフロントピラー内などの狭い場所に設置するのが困難である。

また、振動板は熱プレスによって立体構造に成形されて、振動板は変形すること無くその全体がピストン運動して音圧が発生する。この構造では、音圧の周波数特性が、ほぼ剛体である振動板の全体としてのピストン運動の振動特性にのみ依存することになり、広い周波数帯域で発音させるのが困難である。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、全体を小型または細い形に構成でき、また振動シートが柔軟に変形して発音動作を行う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、可撓性の振動シートと、前記振動シートのシート表面で複数の細幅の導体層が平行に配置されたコイル領域と、前記コイル領域に磁界を与える磁界発生部と、が設けられたスピーカにおいて、
上面が前記振動シートに固定され前記上面とは逆側の下面が前記磁界発生部に固定された弾性変形可能な支持部材が設けられ、
前記磁界発生部に、一対の磁気ギャップが間隔を空けて設けられて、前記振動シートのシート表面に、一対の前記コイル領域が間隔を空けて設けられ、
前記振動シートが曲げられて、それぞれの前記コイル領域がそれぞれの前記磁気ギャップ内に挿入されて、前記振動シートは、前記磁界発生部上で前記支持部材のみによって振動自在に支持されており、
それぞれの前記コイル領域に作用する駆動力によって、前記振動シートが振動させ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、前記磁界発生部に、一対の前記磁気ギャップが互いに平行に延びており、
前記支持部材の前記上面が、一方の前記磁気ギャップから他方の前記磁気ギャップに向く方向にのみ突状に湾曲し、自由状態で平坦な前記振動シートが、前記上面に接着固定されて、一方の前記コイル領域から他方の前記コイル領域に向く方向にのみ湾曲しているものとして構成できる。

本発明のスピーカは、前記支持部材が、発泡材料で形成されていることが好ましい。

さらに本発明のスピーカは、前記振動シートの内面と前記支持部材との間に空隙部が設けられていることが好ましい。

本発明のスピーカは、前記振動シートの平面形状が長方形であり、前記コイル領域が前記振動シートのそれぞれの長辺に沿って設けられ、一対の前記コイル領域の両端部どうしを繋ぐ配線領域が短辺に沿って設けられており、
前記導体層は、一方の前記コイル領域から一方の前記配線領域を通過し、その後他方の前記コイル領域から他方の前記配線領域を通過するように、四角形の螺旋状に形成されているものとして構成できる。

本発明のスピーカは、振動シートが曲げられて、一対のコイル領域が一対の磁気ギャップ内に挿入されている。振動シートは一対のコイル領域の間で支持部材によって支持されているため、スピーカ全体の平面形状を小さくでき、例えば細長く形成して、自動車のフロントピラーの内部に配置したり、電子機器の狭い領域内に配置することなどが可能になる。

また、湾曲した振動シートの両側部に振動力が作用するため、振動シートは全体が振動すると共に振動シート自体が変形して振動することも可能になる。そのため、振動シートの共振周波数が限定されることなく広い周波数領域で振動して音圧を発生することが可能になる。

本発明の実施形態のスピーカを示す斜視図、 図１に示したスピーカを長手方向に延びる切断面で切断した断面図、 図１に示したスピーカを横方向に延びる切断面で切断した断面図、 図１に示したスピーカの振動シートを展開した状態で示す平面図、 振動シートのコイル領域と配線領域での細幅の導体層の配線構造を示す模式図、

本発明の実施形態のスピーカ１は、Ｙ１－Ｙ２方向が縦方向で長手方向、Ｘ１－Ｘ２方向が横方向で左右方向、Ｚ１－Ｚ２方向が上下方向である。
図１ないし図３に示されるスピーカ１は、磁界発生部１０と振動シート２０および支持部材３０で構成されている。

図１と図２に示されるように、磁界発生部１０は、下から上に向かって、下部ヨーク１１と磁石１２および上部ヨーク１３が重ねられて構成されている。下部ヨーク１１は、左側（Ｘ１側）に左側壁１１ａが上方に向けられて形成され、右側（Ｘ２側）に右側壁１１ｂが上方に向けられて形成されている。下部ヨーク１１の左側壁１１ａと、上部ヨーク１３の左端面１３ａとの対向部に磁気ギャップＧ１が形成され、下部ヨーク１１の右側壁１１ｂと、上部ヨーク１３の右端面１３ｂとの間に磁気ギャップＧ２が形成されている。

図１と図２に示されるように、スピーカ１および磁界発生部１０は、Ｘ１－Ｘ２方向の幅寸法よりもＹ１－Ｙ２方向の長さ寸法が十分に大きい長尺の長方形状である。磁気ギャップＧ１と磁気ギャップＧ２は、内幅寸法が微小なギャップ空間が共にＹ－Ｚ平面に沿って延びている。すなわち、前記左側壁１１ａの対向面と左端面１３ａはＹ－Ｚ平面と平行で、前記右側壁１１ｂの対向面と右端面１３ｂもＹ－Ｚ平面と平行である。また、磁気ギャップＧ１と磁気ギャップＧ２は、ギャップ空間が互いに平行でＹ１－Ｙ２方向に延びている。

図３に示されるように、左側の磁気ギャップＧ１を横断する磁束ｆ１の向きと、右側の磁気ギャップＧ２を横断する磁束ｆ２の向きは、幅方向（Ｘ１－Ｘ２方向）において、互いに相反する向きである。

図４に示されるように、振動シート２０は自由状態では平坦である。振動シート２０は長方形であり、Ｙ１－Ｙ２方向に延びて互いに平行な長辺２０ａ，２０ｂと、Ｘ１－Ｘ２方向に延びて互いに平行な短辺２０ｃ、２０ｄを有している。振動シート２０は、長方形の外観を形成するシート基材２１を有している。シート基材２１は、ポリイミド樹脂やＰＥＴ樹脂で形成された可撓性で弾性を有する樹脂シートである。振動シート２０は、シート基材２１の表面に金属膜として銅箔層が積層されたいわゆるフレキシブル回路基板（ＦＰＣ）で構成されている。

図４には、振動シート２０の上側（Ｚ１側）に向く表面が現れている。振動シート２０の上側の表面では、この表面に設けられた金属膜である銅箔層がエッチングで残されて、コイル領域２２ａ，２２ｂと配線領域２３ａ，２３ｂおよび補強領域２４が設けられている。コイル領域２２ａは振動シート２０の長辺２０ａに沿って延び、コイル領域２２ｂは長辺２０ｂに沿って延びている。配線領域２３ａは、コイル領域２２ａ，２２ｂのＹ１側の端部を繋いでおり、配線領域２３ａは短辺２０ｃに沿って延び、配線領域２３ｂは短辺２０ｄに沿って延びている。

コイル領域２２ａ，２２ｂと配線領域２３ａ，２３ｂには、銅箔層がエッチングで残された細幅の線状の導体層２５が形成されている。図５には、コイル領域２２ａ，２２ｂと配線領域２３ａ，２３ｂでの導体層２５の螺旋状の配線構造が模式的に示されている。図４と図５に示されるように、シート基材２１の表面には端子部２６，２７が形成されている。導体層２５の配線構造を、端子部２６を起点として説明すると、導体層２５は、端子部２６から右側（Ｘ２側）のコイル領域２２ｂにおいて長辺２０ｂと平行にＹ２方向に延び、その後に配線領域２３ｂにおいて短辺２０ｄに沿ってＸ１方向へ直線的に延びる。さらに、コイル領域２２ａにおいて長辺２０ａに沿ってＹ１方向に直線的に延び、その後、配線領域２３ａにおいて短辺２０ｃに沿ってＸ２方向へ直線的に延びる。そして、最内周の導体層２５が端子部２７に至る。

コイル領域２２ａ，２２ｂと配線領域２３ａ，２３ｂにおいて、細幅で線状の導体層２５が四角形の螺旋形状に周回している。図５に示される模式図では、導体層２５の螺旋が３ターンであるが、実際には、多くのターン数となるように周回している。コイル領域２２ａ,２２ｂと配線領域２３ａ，２３ｂでは、複数の細幅の導体層が直線的に平行に延びている。コイル領域２２ａを通過する多数本の導体層２５と、コイル領域２２ｂを通過する多数本の導体層２５とがボイスコイルとして機能する。

コイル領域２２ａ，２２ｂと配線領域２３ａ，２３ｂは、シート基材２１の片側のシート表面のみに形成されていてもよいし、両側のシート表面に形成されていてもよい。コイル領域２２ａ，２２ｂと配線領域２３ａ，２３ｂが、シート基材２１の両側のシート表面に形成される場合には、例えば、端子部２７を介して、表裏両面の導体層２５が直列に接続される。表裏両面の導体層２５にボイス電流が与えられると、長辺２０ａに沿う表裏両面のコイル領域２２ａで電流が同じ方向に流れ、長辺２０ｂに沿う表裏両面のコイル領域２２ｂで電流が同じ方向に流れる。また、長辺２０ａに沿うコイル領域２２ａと長辺２０ｂに沿うコイル領域２２ｂとでは、電流方向がＹ１－Ｙ２方向において互いに逆向きである。

図４に示されるように、振動シート２０のＺ１側の表面では、コイル領域２２ａ，２２ｂと配線領域２３ａ，２３ｂで囲まれた補強領域２４に銅箔層の一部が残されている。この補強領域２４を設けることで、振動シート２０の全体の剛性を高め、振動を広い範囲に伝搬できるようになる。なお、補強領域２４は、振動シート２０の一方のシート表面にのみ設けられていてもよいし、両側のシート表面に設けられていてもよい。

自由状態の振動シート２０は、図４に示される平面状態を維持する。図１と図３に示されるように、振動シート２０は、幅方向（Ｘ１－Ｘ２方向）のみが曲率方向となるように弾性的に湾曲させられて、コイル領域２２ａが磁界発生部１０のＸ１側の磁気ギャップＧ１内に挿入され、コイル領域２２ｂがＸ２側の磁気ギャップＧ２内に挿入されている。磁気ギャップＧ１，Ｇ２内には磁気粘性流体やグリスなどの粘性流体が介在している。これら粘性流体の存在により、コイル領域２２ａ，２２ｂに設けられた導体層２５が、下部ヨーク１１の左側壁１１ａの内面や右側壁１１ｂの内面、または上部ヨーク１３の左端面１３ａや右端面１３ｂに擦れて損傷するのを防止できるようになっている。

振動シート２０は、Ｘ１側のコイル領域２２ａとＸ２側のコイル領域２２ｂとの間で、支持部材３０によって支持されている。この支持部材３０の支持構造により、振動シート２０が、磁界発生部１０からＺ１方向へ離れないように支持され、コイル領域２２ａ，２２ｂが磁気ギャップＧ１，Ｇ２内から抜け出ないようになっている。支持部材３０は、体積が収縮する方向と拡張する方向とへ弾性変形可能であり、天然ゴムや合成ゴムなどのゴム材料、発泡ニトリルゴムなどの発泡ゴム材料、または発泡ポリウレタンなどの発泡樹脂材料で形成されている。

図１と図２および図３に示されるように、支持部材３０は、磁界発生部１０を構成している上部ヨーク１３の上面１３ｃと、振動シート２０の磁界発生部１０に向く内面２０ｅとの間に位置している。支持部材３０は、上部ヨーク１３の上面１３ｃと振動シート２０の内面２０ｅのそれぞれに接着されて固定されている。なお、磁界発生部１０の上面すなわち上部ヨーク１３の上面１３ｃの上に磁性材料や非磁性材料の追加部材が固定されており、この追加部材の上面に支持部材３０が接着されて固定されていてもよい。

図１と図３に示されるように、支持部材３０の上面３１は、幅方向（Ｘ１－Ｘ２方向）にのみ曲率を有する湾曲面であり、この湾曲面は、円筒面の一部にほぼ一致している。図３の断面図においては、上面３１ａが、ほぼ円弧軌跡に沿う形状である。振動シート２０を磁界発生部１０に組み付けるときには、まず、振動シート２０を湾曲させて、振動シート２０の内面２０ｅに支持部材３０の上面３１を接着固定し、振動シート２０を湾曲形状に維持できるようにする。その後、振動シート２０のコイル領域２２ａを磁気ギャップＧ１に挿入し、コイル領域２２ｂを磁気ギャップＧ２に挿入して、磁界発生部１０の上面に支持部材３０を接着固定する。このように組立てることで、剛性と弾性を有する振動シート２０を、湾曲形状に維持させながら、磁界発生部１０に容易に組み込むことができる。

図２に示されるように、振動シート２０の内面２０ｅと支持部材３０との間に空隙部３２が形成されている。空隙部３２は、縦方向（Ｙ１－Ｙ２方向）に間隔を空けて複数個所に形成されている。空隙部３２の数は、支持部材３０の縦方向（Ｙ１－Ｙ２方向）の長さに応じて決められ、空隙部３２は最少で１か所である。振動シート２０のＹ１側の端辺２８と磁界発生部１０との間には空隙部が形成されておらず、端辺２８と磁界発生部１０との間には、支持部材３０の端壁部３３が設けられている。また、振動シート２０のＹ２側の端辺２９と磁界発生部１０との間にも空隙部が形成されておらず、端辺２９と磁界発生部１０との間には、支持部材３０の端壁部３４が設けられている。すなわち、振動シート２０の内面２０ｅと支持部材３０との間に形成される空隙部３２は、Ｙ１方向とＹ２方向に向けて解放されておらず、スピーカ１のＹ１方向の端部とＹ２側の端部で、前記空隙部３２が塞がれている。

次に、スピーカ１の発音動作を説明する。
図３に示されるように、磁界発生部１０では、Ｘ１側の磁気ギャップＧ１では、上部ヨーク１３の左端面１３ａと下部ヨーク１１の左側壁１１ａとの間を磁束ｆ１が横断し、Ｘ２側の磁気ギャップＧ２では、上部ヨーク１３の右端面１３ｂと下部ヨーク１１の右側壁１１ｂとの間を磁束ｆ２が横断する。磁束ｆ１と磁束ｆ２は幅方向（Ｘ１－Ｘ２方向）で互いに逆向きである。振動シート２０のＸ１側のコイル領域２２ａとＸ２側のコイル領域２２ｂでは、ボイス電流がＹ１－Ｙ２方向において互いに逆向きに流れる。Ｘ１側のコイル領域２２ａの導体層２５を流れるボイス電流と前記磁束ｆ１とによって、コイル領域２２ａにＺ１－Ｚ２への振動力Ｆ１が作用し、Ｘ２側のコイル領域２２ｂの導体層２５を流れるボイス電流と前記磁束ｆ２とによって、コイル領域２２ｂにＺ１－Ｚ２への振動力Ｆ２が作用する。ボイス電流によってＸ１側に作用する振動力Ｆ１と、Ｘ２側に作用する振動力Ｆ２は、常にＺ１－Ｚ２方向で同じ向きに作用する。

前記振動力Ｆ１，Ｆ２によって、湾曲している振動シート２０は全体がＺ１－Ｚ２方向へ移動するように振動する。さらに、振動シート２０は可撓性シートであり、その湾曲方向の曲率がＸ１－Ｘ２方向のみであるため、前記振動力Ｆ１，Ｆ２によって、振動シート２０が波打ち変形するなどシート自体の撓みが発生する。振動シート２０の全体としてのＺ１―Ｚ２方向への移動振動と、振動シート２０の多様で多次の変形振動とにより、振動シート２０が振動するときの固有振動数が多様に且つ広範囲に点在することになる。そのため、スピーカ１で発音できる音圧の周波数帯域を広くでき、高音域だけでなく中音域でも大きな音圧で発音できるようになる。

振動シート２０が振動するときに、振動シート２０と磁界発生部１０との間の支持部材３０が弾性変形する。そのため、振動シート２０は、湾曲形状を維持し、コイル領域２２ａ，２２ｂが磁気ギャップＧ１，Ｇ２内に挿入された状態を維持したまま、振動することができる。支持部材３０が発泡材料で形成されていると、支持部材３０が柔軟に変形することができる。

図２に示されるように、実施形態のスピーカ１は、支持部材３０に空隙部３２が形成されている。この空隙部３２の存在により、振動シート２０の振動によって、振動シート２０と磁界発生部１０との間に発生する背圧が、空隙部３２の空間圧力の変化として吸収されることになり、振動シート２０の振動に対する抵抗力を軽減できる。また、振動シート２０の端辺２８，２９と磁界発生部１０との間に、支持部材３０の端壁部３３，３４が配置されているので、背圧がＹ１－Ｙ２方向の外部に逃げにくい。

スピーカ１は、平面形状が、磁界発生部１０の下部ヨークのＸ１－Ｘ２方向の幅寸法と、Ｙ１－Ｙ２方向の縦方向の範囲で決められるため、小型である。実施形態のスピーカ１は、Ｘ１－Ｘ２方向の幅寸法が小さく、Ｙ１－Ｙ２方向の寸法が長く、細長い形状であるので、例えば自動車のフロントピラーの内部に設置でき、また電子機器の狭い範囲内にスピーカ１を配置することができる。

１ スピーカ
１０ 磁界発生部
１１ 下部ヨーク
１２ 磁石
１３ 上部ヨーク
２０ 振動シート
２０ｅ 内面
２１ シート基材
２２ａ，２２ｂ コイル領域
２３ａ，２３ｂ 配線領域
２５ 導体層
３０ 支持部材
３２ 空隙部
Ｇ１，Ｇ２ 磁気ギャップ

Claims (5)

1. 可撓性の振動シートと、前記振動シートのシート表面で複数の細幅の導体層が平行に配置されたコイル領域と、前記コイル領域に磁界を与える磁界発生部と、が設けられたスピーカにおいて、
   上面が前記振動シートに固定され前記上面とは逆側の下面が前記磁界発生部に固定された弾性変形可能な支持部材が設けられ、
   前記磁界発生部に、一対の磁気ギャップが間隔を空けて設けられて、前記振動シートのシート表面に、一対の前記コイル領域が間隔を空けて設けられ、
   前記振動シートが曲げられて、それぞれの前記コイル領域がそれぞれの前記磁気ギャップ内に挿入されて、前記振動シートは、前記磁界発生部上で前記支持部材のみによって振動自在に支持されており、
   それぞれの前記コイル領域に作用する駆動力によって、前記振動シートが振動させられることを特徴とするスピーカ。
2. 前記磁界発生部に、一対の前記磁気ギャップが互いに平行に延びており、
   前記支持部材の前記上面が、一方の前記磁気ギャップから他方の前記磁気ギャップに向く方向にのみ突状に湾曲し、自由状態で平坦な前記振動シートが、前記上面に接着固定されて、一方の前記コイル領域から他方の前記コイル領域に向く方向にのみ湾曲している請求項１記載のスピーカ。
3. 前記支持部材が、発泡材料で形成されている請求項１または２記載のスピーカ。
4. 前記振動シートの内面と前記支持部材との間に、複数の空隙部が、前記磁気ギャップの延びる方向へ間隔を空けて設けられている請求項２記載のスピーカ。
5. 前記振動シートは平面形状が長方形であり、前記コイル領域が前記振動シートのそれぞれの長辺に沿って設けられ、一対の前記コイル領域の両端部どうしを繋ぐ配線領域が短辺に沿って設けられており、
   前記導体層は、一方の前記コイル領域から一方の前記配線領域を通過し、その後他方の前記コイル領域から他方の前記配線領域を通過するように、四角形の螺旋状に形成されている請求項２または４記載のスピーカ。

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