KR101649390B1 - 스피커 유닛 - Google Patents

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아키히토 미츠이
신이치 야마다
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미쓰비시 엔피쯔 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 저밀도이고 경량이면서 충분한 강성을 가지는 진동판을 디지털 음성 신호로 직접 구동하고, 보이스 코일의 진동을 로스 없이 탄소질 음향 진동판에 전할 수 있는 스피커 유닛을 실현하는 것이다. 탄소질 음향 진동판(25)을 갖춘 스피커 본체(14)와, 디지털 음원(10)으로부터 공급되는 다치 비트의 디지털 음성 신호를 소요 비트의 디지탈 신호로 변환하는 델타 시그마 변조기(11) 및 온도계 코드 변환부(12)와, 디지탈 신호의 비트수에 대응하여 복수 설치되어 상기 탄소질 음향 진동판(25)을 각각 진동시키는 복수의 보이스 코일(24)과, 디지탈 신호에 기초하여 각 보이스 코일(24)을 개별적으로 구동하는 드라이버 회로(13)를 구비하는 디지털 스피커 유닛이다.

Description

스피커 유닛{SPEAKER UNIT}
본 발명은, 음성 재생용의 스피커 유닛에 관한 것이며, 특히 디지털 음성 신호에 의해 직접 구동되는 스피커 유닛에 관한 것이다.
종래, 디지털 음성 신호를 아날로그 신호로 변환하지 않고 직접 스피커에 공급하고 재생을 실시하는 디지털 스피커가 개발되고 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조). 특허 문헌 1에 기재된 디지털 스피커는, 보이스 코일 보빈(coil bobbin)에 감겨진 복수의 보이스 코일 각각에, 디지털 신호의 각 비트에 대응하는 구동력이 발생하도록 가중하고, 각 보이스 코일에 인가하는 일정 전압의 극성을 디지털 신호의 각 2비트의 2값에 따라 전환함으로써, 보이스 코일에 흐르는 전류의 방향이 2값에 따라 설정되도록 한 것이다. 이 구성에 의해, 디지털 신호의 양자화에 대응한 비율로 구동력을 발생시킬 수 있다.
또한 디지털 신호로부터 높은 품질의 아날로그 신호를 생성하는 디지털 아날로그 변환 장치를 디지털 스피커의 구동장치에 적용하고, 재생 음성 품질의 개선, 회로 규모의 축소를 실현한 스피커 유닛이 제안되고 있다(예를 들어, 특허 문헌 2 참조). 특허 문헌 2에 기재된 스피커 유닛은, 델타 시그마 변조기의 n비트 출력을 포맷터(formatter)에 의해 온도계 코드로 변환하고, 후위 필터로 미스 매치 쉐이핑 처리를 실시하고, 그 출력을 버퍼 회로에 입력하여, 버퍼 회로로부터 출력되는 디지털 신호로 코일을 제어해 자기장을 가산하는 것이 기재되어 있다(단락 0063, 0078 참조).
한편, 각종 음향 기기나 영상 기기, 휴대 전화 등의 모바일 기기 등에 사용되고 있는 스피커의 진동판에는, 광범위한 주파수 대역, 특히 고음역에 대해 명료한 소리를 충실히 재생할 수 있는 성질이 요구된다. 이 때문에 진동판의 재질에는, 진동판에 충분한 강성을 부여하기 위하여 탄성률이 높은 것과 진동판을 경량화하기 위하여 밀도가 낮은 것과 같은, 일견 상반되는 성질이 요구된다. 특히, 최근 주목받고 있는 디지털 스피커용의 진동판에는, 진동 응답성으로의 요청으로부터 이러한 성질이 강하게 요구되고 있다.
특허 문헌 1 : 특개평4-326291호 공보 특허 문헌 2 : 국제 공개 제2007/135928호 팜플렛
따라서 본 발명의 목적은, 저밀도로 경량이면서 충분한 강성을 갖는 진동판을 디지털 음성 신호로 직접 구동하고, 보이스 코일의 진동을 로스(loss) 없이 탄소질(炭素質) 음향 진동판에 전할 수 있어 양호한 음향 특성을 실현하는 스피커 유닛을 제공하는 것이다.
본 발명의 스피커 유닛은 탄소질 음향 진동판과, 도전성 와이어를 통 형상으로 감아 이루어지며 일방의 개구 단부가 상기 탄소질 음향 진동판에 직접 맞닿은 상태로 고정된 보이스 코일과, 상기 통 형상의 보이스 코일을 직경 방향으로 관통하는 자속을 발생시키는 자속 발생 수단과, 상기 보이스 코일에 음성 신호에 대응하는 구동 전류를 공급하는 구동 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의하면, 보이스 코일의 일단부가 탄소질 음향 진동판에 직접 맞닿은 구조이므로, 음성 신호에 대응해 보이스 코일에 여기된 진동이 로스 없이 탄소질 음향 진동판에 전해질 수 있다. 보이스 코일의 진동을 고효율로 탄소질 음향 진동판에 전할 수 있으므로, 음성 신호를 충실히 재생한 소리를 출력 가능한 스피커를 실현할 수 있다.
또 본 발명은, 상기 스피커 유닛에 있어서, 상기 보이스 코일은 디지털 신호의 비트수에 대응하는 복수개의 단위 보이스 코일로 구성되고, 상기 복수개의 단위 보이스 코일의 직경 치수를 다르게 하고, 대경측의 단위 보이스 코일에 소경측의 단위 보이스 코일을 차례차례 삽입하여 이루어지고, 상기 구동 수단은 상기 각 단위 보이스 코일을 디지털 신호의 각 비트값에 기초하여 개별적으로 구동하는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의하면, 탄소질 음향 진동판을 갖춘 스피커 본체를 디지털 신호로 직접 구동하므로, 저밀도로 경량이면서 충분한 강성을 가지는 탄소질 음향 진동판의 특성을 이용하여 양호한 음향 특성을 실현할 수 있다.
또 본 발명은, 상기 스피커 유닛에 있어서, 상기 각 단위 보이스 코일은, 단면 타원 형상으로 가공된 도전성 와이어를, 코일 직경 방향과 직교하는 방향으로 인접하는 인접 와이어 사이에 당해 와이어 단면의 장축 방향이 조밀하게 접하도록 통 형상에 감아 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의하면, 복수의 단위 보이스 코일을 직경 방향에 다층화했을 경우여도 보이스 코일 전체로의 코일 직경 방향의 코일 두께(1층 또는 다층)를 억제할 수 있어 보이스 코일에 자속을 통과시키기 위해서 보이스 코일을 배치하는 갭을 좁게 할 수 있어 자기 손실을 저감할 수 있다.
또 본 발명은, 상기 스피커 유닛에 있어서, 상기 각 단위 보이스 코일은, 단면 타원 형상에 가공된 도전성 와이어를, 코일 직경 방향과 직교하는 방향으로 인접하는 인접 와이어 사이에 당해 와이어 단면의 단축 방향이 조밀하게 접하도록 통 형상에 감아 돌리는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의하면, 단위 보이스 코일을 구성하는 도전성 와이어는 인접 와이어 사이에 당해 와이어 단면의 단축 방향이 조밀하게 접하므로, 보이스 코일에 여기된 진동을 탄소질 음향 진동판에 전할 때의 로스가 한층 더 억제된다.
또 본 발명은, 상기 스피커 유닛에 있어서, 상기 탄소질 음향 진동판은 상기 보이스 코일의 개구 단부가 고정된 제1 주면과 이 제1 주면과 반대측의 제2 주면을 가지고, 상기 보이스 코일은 상기 개구 단부의 최외주 위치가 진동판 바깥 주연부보다 내측으로 어긋난 위치에 배치되고, 상기 제2의 주면으로서 상기 보이스 코일의 개구 단부의 고정 위치와 겹치지 않는 진동판 바깥 주연부에 당해 탄소질 음향 진동판을 진동 가능하게 지지하는 지지 부재의 일단부가 고정된 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의하면, 보이스 코일 고정 위치와는 겹치지 않는 진동판 바깥 주연부에 당해 탄소질 음향 진동판을 진동 자재로 지지하는 지지 부재의 일단부가 고정되므로, 보이스 코일이 탄소질 음향 진동판에 주는 진동을, 지지 부재가 직접 흡수하여 탄소질 음향 진동판이 휘기 힘들어지는 불편을 회피할 수 있어 탄소질 음향 진동판의 진동 특성의 열화를 최소한으로 억제할 수 있다.
또 본 발명은, 상기 스피커 유닛에 있어서, 상기 자속 발생 수단은, 상기 탄소질 음향 진동판에 고정된 상기 보이스 코일의 외주면과 대향하는 단부를 갖는 요크와, 상기 보이스 코일의 타방(他方)의 개구 단부로부터 코일 내부에 삽입되어 상기 요크의 대향하는 단부와의 사이에 갭(gap)을 형성하는 센터피스(centerpiece)와, 상기 센터피스와 상기 요크 사이에 마련되어 상기 센터피스측을 일방의 자극으로 하고 상기 요크측을 타방의 자극으로 하는 영구 자석을 구비하고, 상기 탄소질 음향 진동판은, 상기 보이스 코일의 개구 단부가 고정된 제1 주면과, 이 제1 주면과 반대측의 제2 주면과, 상기 제1 주면에 있어서 상기 보이스 코일의 개구 단부 고정 개소에 형성된 철부(凸部)를 구비하고, 상기 철부는 상기 보이스 코일의 중심부가 상기 요크의 단부와 상기 센터피스 사이의 갭 위치가 되는 높이를 갖는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의하면, 보이스 코일의 중심부가 갭 위치에 오도록 배치하여, 보이스 코일을 횡단하는 자속수가 최대가 되어, 보이스 코일에 전류를 흘리는 것으로 최대의 응력이 발생하는, 즉, 가장 효율적으로 탄소질 음향 진동판을 진동시킬 수 있다.
상기 스피커 유닛에 있어서, 상기 각 단위 보이스 코일에 접속되는 인출선의 인출 위치를, 상기 탄소질 음향 진동판 외주에 균등하게 분산하는 것이 바람직하다. 단위 보이스 코일로부터 나타나는 인출선의 텐션이 탄소질 음향 진동판의 진동 특성에 큰 영향을 주는, 인출선의 인출 위치를, 상기 탄소질 음향 진동판 외주에 균등하게 분산하는 것으로, 탄소질 음향 진동판의 진동 특성을 열화시키지 않는 인출 구조를 실현할 수 있다.
또 본 발명은, 상기 스피커 유닛에 있어서, 상기 구동 수단은, 디지털 음원으로부터 공급되는 다치 비트의 디지털 음성 신호를 델타 시그마 변조하는 델타 시그마 변조기를 갖추어 상기 델타 시그마 변조기로부터 출력되는 디지털 신호에 기초하여 상기 각 보이스 코일을 개별적으로 구동하는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해, 델타 시그마 변조기를 갖추어, 디지털 음원으로부터 공급되는 다치 비트의 디지털 음성 신호를 소요 비트의 디지털 신호로 변환하는 과정에서 발생하는 양자화 노이즈를 노이즈 시핑 효과에 의해 배제할 수 있음과 아울러, 오버 샘플링법에 의해 양자화 오차를 억압하는 구성을 취하는 것도 가능해진다.
또 본 발명은, 상기 스피커 유닛에 있어서, 상기 구동 수단은, 상기 델타 시그마 변조기의 출력하는 소정 비트의 디지털 신호를, 상기 보이스 코일의 개수에 대응한 비트수의 온도계 코드로 변환하는 온도계 코드 변환부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의해, 델타 시그마 변조기로부터 출력되는 2진수가 비트마다 중량감이 있는 신호이기 위해, 그대로의 신호를 사용한 것은 디지털 직접 구동이 곤란하지만, 각 비트에 중량감이 없는 온도계 코드로 변환함으로써, 스피커 본체를 직접 디지털 신호로 구동할 수 있다.
상기 스피커 유닛에 있어서, 상기 탄소질 음향 진동판은, 아몰퍼스 탄소와 해 아몰퍼스 탄소 중에 균일하게 분산한 탄소 분말을 포함하고, 기공률 40%이상의 다공체로 구성해도 좋다.
또 상기 스피커 유닛에 있어서, 상기 탄소질 음향 진동판은 아몰퍼스 탄소와 이 아몰퍼스 탄소 중에 균일하게 분산한 탄소 분말을 포함하고, 기공률 40% 이상의 다공체로 이루어진 저밀도층과 아몰퍼스 탄소를 포함하여, 상기 저밀도층보다 두께가 얇고, 상기 저밀도층보다 밀도가 높은 고밀도층을 구비하는 구성으로 할 수 있다.
또 상기 스피커 유닛에 있어서, 상기 스피커 본체는 상기 탄소질 음향 진동판에 대해서 상기 보이스 코일을 접촉시켜 진동시키는 구성이어도 좋다. 또는 상기 탄소질 음향 진동판을 가요성의 필름체로 유지하여, 그 필름체에 대해 상기 보이스 코일을 접촉시켜 진동시키는 구성이어도 좋다.
본 발명에 의하면, 저밀도로 경량이면서 충분한 강성을 가지는 진동판을 디지털 음성 신호로 직접 구동하고, 보이스 코일의 진동을 로스 없이 탄소질 음향 진동판에게 전할 수 있어 양호한 음향 특성을 실현하는 스피커 유닛을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태와 관련된 디지털 스피커 유닛의 개략적인 전체도이다
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 스피커 본체의 구조를 나타내는 모식적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 복수의 보이스 코일 배치를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 보이스 코일과 탄소질 음향 진동판과 드라이버 회로의 관계를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 보이스 코일과 드라이버 회로의 관계를 나타내는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 델타 시그마 변조기의 회로 구성도이다.
도 7의 (a)는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 스피커를 디지털 직접 구동하는 디지털 신호의 전체 파형도, (b)는 디지털 신호의 일부를 확대한 파형도이다.
도 8의 (a)는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 가요성 필름으로 탄소질 음향 진동판을 지지하는 스피커 본체의 단면도, (b)는 도 8(a)의 평면도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시 형태와 관련된 디지털 스피커 유닛에 있어서 스피커 본체의 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 코일용 와이어를 드럼으로부터 계속 공급하여 롤러 사이에 통과시키는 모습을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 롤러 통과 전후에 있어서 코일용 와이어의 단면 형상을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서 눌러진 코일용 와이어를 권선 지그에 감는 모습을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서 눌러진 코일용 와이어를 감은 권선 지그의 일부 단면도이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서 보이스 코일의 인출선의 인출 위치를 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 변형예에 있어서 탄소질 음향 진동판에 철부를 형성한 스피커 본체의 구성도이다.
도 16은 본 발명의 변형예에 있어서의 탄소질 음향 진동판에 철부 및 리브부를 형성한 스피커 본체의 구성도이다.
도 17의 (a), (b)는 본 발명의 변형예에 있어서 보이스 코일의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예와 관련된 저밀도층과 고밀도층을 가지는 탄소질 음향 진동판의 개념도이다.
도 19는 본 발명의 실시예와 관련된 경과시간과 질량 변화율의 관계를 나타내는 탄소질 음향 진동판의 특성도이다.
도 20은 본 발명의 실시예와 관련된 탄소질 음향 진동판만의 경우의 디지털 스피커의 주파수 특성도이다.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 대해 첨부 도면을 참조하여 자세한 내용에 설명한다.
본 발명의 일실시의 형태는 스피커 본체의 진동판으로서 탄소질 음향 진동판을 구비하고, 디지털 음원으로부터 공급되는 디지털 신호로 보이스 코일을 직접 구동해 탄소질 음향 진동판을 진동시키는 디지털 스피커 유닛이다. 또한 본 발명은 디지털 스피커 유닛에 매우 적합하지만, 아날로그 음성 신호에 의한 구동 방식에도 적용 가능하다.
(제1 실시 형태)
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태와 관련된 디지털 스피커 유닛의 개략적인 전체도이다.
도 1에 대해 디지털 음원(10)은, CD 플레이어, DVD 플레이어, 그 외의 디지털 형식의 음성 재생 디바이스로 구성할 수 있고, 디지털 스피커 유닛에 대해 디지털 음성 신호를 출력한다.
본 실시의 형태의 디지털 스피커 유닛은, 멀티 비트의 델타 시그마 변조기(11)와, 델타 시그마 변조기(11)가 출력하는 디지털 신호를 가중치가 없는 N비트의 온도계 코드로 변환하는 온도계 코드 변환부(12)와, 온도계 코드에 기초하여 구동 제어하는 드라이버 회로(13)와, 탄소질 음향 진동판을 갖춘 스피커 본체(14)를 주된 구성요소로 하고 있다.
도 2를 참조하여, 스피커 본체(14)의 구조를 설명한다.
스피커 본체(14)는 중심부에 판 모양을 이루는 센터 폴(21)을 구비한 바닥있는 통모양의 요크(22)와, 센터 폴(21)의 기단부(基端部)에 배치된 마그넷(23)을 구비한다. 이 마그넷(23)과 요크(22)와 센터 폴(21)에 의해 자기회로를 구성하고 있다. 또한 스피커 본체(14)는 자기회로 내에 이 센터 폴(21)의 외주에 틈새를 두고 둘러싸는 도시하지 않은 코일 보빈을 통해, 복수의 보이스 코일(24)과 이 보이스 코일(24)의 선단부(先端部)에 장착된 탄소질 음향 진동판(25)을 구비한다. 탄소질 음향 진동판(25)의 바깥 주연부는 엣지(26)를 통해 프레임(27)에 진동 가능하게 지지되고 있다. 복수의 보이스 코일(24)의 코일수 N은 온도계 코드 변환부(12)의 출력 비트수 N에 대응시키고 있다.
도 3 내지 도 5는 스피커 구동계의 개념도를 나타낸다. N개의 단위 보이스 코일(24-1~24-N)은 독립하여 배치되어 있고(도 3), 일단이 탄소질 음향 진동판(25)에 연결된 코일 유지부(28)에 각각 감겨져 있다(도 4). 또한 코일 유지부(28)를 이용하지 않고, 단위 보이스 코일(24-1~24-N)의 단부를 탄소질 음향 진동판(25)의 한쪽 면에 직접적으로 연결시키는 구조로 할 수도 있다. 또한 도 5에서 나타내는 바와 같이, N개(도 5에서는 3개)의 단위 보이스 코일(24-1~24-N)은, 각각의 인출선이 각각 대응하는 드라이버 회로(13; (1)~(N))에 접속되고 있어 각각 대응하는 드라이버 회로(13; (1)~(N))로부터 독립하여 구동 전류가 흐르게 된다. 각 단위 보이스 코일(24-1~24-N)은 드라이버 회로(1)~(N)로부터 독립하여 제어 가능하도록 구성되어 있다.
상기 스피커 본체(14)에서는, 마그넷(23)과 요크(22)와 센터 폴(21)로 구성된 자기회로 중에 놓인 보이스 코일(24)에 전류를 흘려, 보이스 코일(24)에 대해서 자력선과 직교 방향으로 발생하는 힘을 이용하여 탄소질 음향 진동판(25)을 진동시켜 음파를 발생시킨다. 보이스 코일(24)에는 온도계 코드 변환부(12)로부터 출력되는 디지털 신호의 각 비트치에 따라 전류가 흐르게 된다.
도 6은 델타 시그마 변조기(11)의 회로 구성도이다. 또한 동 도면에 나타내는 회로 구성은 일례이며, 한층 더 고차의 델타 시그마 변조기를 이용할 수도 있다. 여기에서는, 다치(多値) 입력 비트로 표현된 디지털 음성 신호를 16비트로 하고, 델타 시그마 변조기(11)로부터의 n비트 출력을 4비트로 한다.
델타 시그마 변조기(11)는 기본적으로는 적분기(31), 양자화기(32), 지연기(33), 및 피드백 루프를 구비하여 구성되어 있다. τ는 피드백 게인이다. 델타 시그마 변조기(11)에 입력된 다치 비트(예를 들어 16비트)는 적분기(31)를 통해 양자화기(32)에 n비트(예를 들어, 9값=4비트)로 변환된다. 양자화 시에 발생하는 양자화 오차는 지연기(33)를 통과하는 피드백 루프로 입력단에 되돌려져서 차분을 취함으로써, 양자화 오차만이 적분된다. 입력을 X, 출력을 Y, 양자화 오차를 Q로 하면, 관계식은 Y=X+(1-Z-1)Q로 표현된다. 양자화 오차 Q에 곱해지는 전달 함수(1-Z-1)는 주파수 특성을 가지고 있고, 직류 부근에서 작아지므로, 이 특성이 후술하는 노이즈쉐이핑 효과가 된다.
델타 시그마 변조기(11)에서는, 양자화기(32)에 의해 다치 비트의 디지털 음성 신호를 출력 비트수 n에 대응하는 수로 양자화하고 있다. 양자화기(32)에 의해 발생하는 양자화 오차는 오버 샘플링 수법을 적용함으로써 해소할 수 있다. 오버 샘플링이란, 신호 대역보다 충분히 높은 주파수로 샘플링을 실시하는 방법의 하나이다. 또한 델타 시그마 변조의 경우, 노이즈쉐이핑 효과에 의해 원신호 정밀도를 개선할 수 있다. 즉, 양자화기를 사용하여 양자화를 실시하면, 전 주파수에 균등하게 양자화 노이즈가 분포하지만, 델타 시그마 변조에 의해 불필요한 노이즈 성분이 오버 샘플링한 높은 주파수 영역으로 시프트함으로써, 원신호 부근의 노이즈가 억제되고 원신호의 정밀도를 개선할 수 있는 효과가 있다.
온도계 코드 변환부(12)는 델타 시그마 변조기(11)의 n비트 출력을 보이스 코일수에 대응한 N비트의 온도계 코드로 변환한다. 예를 들어, 8비트의 온도계 코드로 변환하는 경우이면, 델타 시그마 변조기 출력 (0010), (0101), (1000)를, 각각 온도계 코드 (00000011), (00011111), (11111111)에 변환한다. 델타 시그마 변조기(11)로부터 출력되는 2 진수는 비트마다 가중치가 있는 신호이기 때문에, 그대로 신호를 사용해서는 디지털 직접 구동이 곤란하지만, 각 비트를 가중치가 없는 온도계 코드로 변환함으로써, 스피커 본체(14)를 직접 디지털 신호로 구동할 수 있다.
드라이버 회로(13)는 온도계 코드 변환부(12)로부터 출력되는 온도계 코드에 기초하여 개개의 단위 보이스 코일 24-1~24-N을 독립적으로 구동한다. 구체적으로는, 각 단위 보이스 코일 24-1~24-N과 온도계 코드의 각 비트값이 1대 1로 대응하고 있고, 온도계 코드 변환부(12)로부터 온도계 코드의 비트마다 도 7 (a), (b)에 나타내는 1비트 신호 (ON/OFF)가 출력된다. 온도계 코드 「1」의 보이스 코일(24)에는 전류를 흘리고, 온도계 코드 「0」의 보이스 코일(24)에는 전류가 흐르지 않게 구동한다. 보이스 코일(24)에 흐르는 전류에 비례하여 당해 보이스 코일(24) 자신이 움직여, 그 보이스 코일(24)에 결합한 탄소질 음향 진동판(25)이 진동하여 음성이 생성된다.
다음으로, 본 실시 형태에서 이용되는 탄소질 음향 진동판(25)의 구조 및 제조 방법에 대해 자세히 설명한다.
본 발명의 디지털 스피커 유닛에서는, 아몰퍼스 탄소와 그 아몰퍼스 탄소 중에 균일하게 분산한 탄소 분말을 포함하고, 기공률(氣孔率) 40%이상의 다공체를 가지는 탄소질 진동판을 탄소질 음향 진동판(25)으로서 이용할 수 있다. 이 탄소질 음향 진동판(25)은 상기 다공체의 판을 저밀도층으로서 구비하고, 아몰퍼스 탄소를 포함하고, 상기 저밀도층보다 두께가 얇고, 상기 저밀도층보다 밀도가 높은 고밀도층을 한층 더 구비하는 것이 매우 적합하다.
여기서, 층의 수는 고밀도층과 저밀도층의 2층 구조, 저밀도층의 양면을 고밀도층 사이에 두는 3층 구조, 반대로, 고밀도층의 양면을 저밀도층 사이에 두는 3층 구조, 또한 고밀도층만의 1층 구조 등 여러 가지 구성이 가능하다.
상기 다공체의 기공 형상은 구상(球狀)이며, 그 수평균(數平均) 기공 직경이 5μm이상 150μm이하인 것이 바람직하다. 상기 탄소 분말은 수평균 직경이 0.2μm이하이며, 평균 길이가 20μm이하인 카본 나노 섬유를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 고밀도층은 상기 아몰퍼스 탄소중에 균일하게 분산한 흑연을 포함하는 경우가 있다. 이 탄소질 음향 진동판은 건조 후, 온도 25℃, 습도 60%의 환경에 250시간 방치했을 때의 질량의 증가가 5% 이하인 것이 바람직하다.
또한 탄소 함유 수지에 탄소 분말을 균일하게 혼합하여, 혼합물을 필름 형상으로 성형하고 가열하여 탄소 전구체로 하고, 탄소 전구체를 불활성 분위기에서 탄소화하는 방법을 이용하여 탄소질 음향 진동판의 제조를 할 수 있다. 이러한 탄소질 음향 진동판의 제조 방법에 있어서, 상기 탄소 전구체화의 온도에서는 고체 또는 액체이며, 상기 탄소화의 온도에 있어서 소실하여 기공을 남기는 천공재의 입자를 상기 혼합물에 미리 혼합함으로써, 상기 탄소화 후에 대해 아몰퍼스 탄소와 탄소 분말을 포함하는 다공체로 한다.
상기 탄소화 전에 있어서, 상기 탄소 전구체의 판의 적어도 한쪽 면에 탄소 함유 수지의 층을 형성함으로써, 상기 탄소화 후에 있어서, 상기 다공체로 이루어진 저밀도층과 저밀도층보다 밀도가 높은 고밀도층을 포함하는 탄소질 음향 진동판으로 하는 것을 더 포함하는 것이 매우 적합하다. 또한 고밀도층의 양면을 저밀도층에서 사이에 두는 구조는, 예를 들어, 천공재를 포함하지 않는 탄소 전구체의 양면에 천공재를 포함한 탄소 전구체의 층을 수지로 접착하여 일체화하고 탄소화함으로써 얻을 수 있다.
상기 천공재의 입자는 구상인 것이 바람직하다. 상기 탄소 분말은 카본 나노 섬유를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 탄소 함유 수지의 층은 그 중에 균일하게 분산한 흑연을 포함한 경우가 있다. 상기 탄소화는 1200℃이상의 온도로 행해지는 것이 바람직하다.
이상과 같이, 탄소 함유 수지와 탄소 분말의 혼합물에, 탄소 전구체화할 때의 온도에 있어서 고체 또는 액체이며, 탄소화의 온도에 있어서 소실하여 기공을 남기는 천공재, 예를 들어 폴리 메틸 메타크릴레이트(PMMA)의 입자를 혼합함으로써, 탄소화 과정에 있어서, 이 천공재는 그 입체적 형상에 따른 입체적 형상의 기공을 남기고 소실한다. 따라서, 천공재의 배합비를 제어함으로써 기공률을 용이하게 제어할 수 있어, 천공재의 입자의 입체적 형상 및 사이즈를 선택하는 것으로 기공의 입체적 형상 및 사이즈를 용이하게 제어할 수 있어 기공률 40% 이상의 다공체를 실현할 수 있다.
또한 기공률은 기공을 포함한 다공체 전체의 체적에 대한 기공 체적의 백분율이며, 탄소의 밀도를 1.5 g/cm3로 하고 다공체 전체의 체적 및 질량으로부터 계산되는 기공률로 정의한다.
상기 다공체로 이루어진 저밀도층과 고밀도층의 복층 구조로 하는 경우, 필요한 강성을 유지하면서 기공률을 60%이상으로 할 수 있어 진동판 전체의 밀도를 0.5 g/cm3 이하로 할 수 있다.
고밀도층은 총 두께의 1~30% 정도로 효과를 발현하고, 영률(Young's modulus) 100 GPa 정도의 강성으로 고음역 재생의 역할을 담당한다.
저밀도층의 영률은 2~3 GPa 정도이며 진동판 전체를 경량으로 하여 전체의 음질을 유지하고, 진동 응답성을 좋게 한다.
이들을 일체화하고 소성하여 탄소화하고, 복수층의 탄소질재(炭素質材)를 형성하므로, 특성의 제어, 특히, 고음역까지의 가청 음역의 음을 출력할 수 있는 다층 평면 스피커 진동판이 가능해진다.
또한 돔 형상으로 하여 강성을 부여하는 것도 가능하고, 치밀하고 높은 강성의 고밀도층과 코어가 되는 경량의 저밀도층의 탄력 강도의 밸런스로 재생 한계 주파수가 높은 평면 진동판을 얻을 수 있다. 기공률 설계에 의해서도 재생 음역이 변동하지만, 기공 직경은 크게 영향을 주지 않는다. 취급성이 양호해지고, 내충격성도 향상한다. 또한 다공체의 저밀도층의 편면(片面) 혹은 양면을 고밀도층으로 가림으로써 유닛으로의 조립 시 접착제의 흡입을 방지할 수 있다.
음향 진동판에 더 요청되는 특성으로서 공기중의 수분을 흡수하여 무거워져서 음향 특성이 변하지 않도록, 흡습성이 낮은 것을 들 수 있다. 탄소화의 온도를 1200℃이상으로 하여, 건조 후 온도 25℃, 습도 60%의 환경에 250시간 방치했을 때의 질량의 증가가 5% 이하인 것을 얻을 수 있다.
이상의 설명에서는, 탄소질 음향 진동판을 엣지를 통해 프레임에 유지하는 구조에 대해서 예시했지만, 가요성 필름으로 탄소질 음향 진동판을 지지하는 구조로 하는 것도 가능하다.
도 8(a)는 가요성 필름으로 탄소질 음향 진동판을 지지하는 스피커 본체의 단면도, 동 도면(b)는 평면도이다. 도 8(a)에 나타내는 바와 같이, 요크(22), 마그넷(23), 센터 폴(21), 보이스 코일(24) 및 프레임(27)에 대해서는, 도 2에 나타내는 스피커 본체(14)와 같은 구조를 가지고 있다. 탄소질 음향 진동판(41)은 가요성 필름(42)의 내측면에 고정되고 있다. 가요성 필름(42)는 중앙부가 돔 모양으로 팽출(膨出)한 형상을 이루고 있고, 판 모양을 이루는 필름 베이스(43)의 윗면에 고정되고 있다. 필름 베이스(43)의 밑면 바깥 주연부에 보이스 코일(24)의 단부가 맞닿아 진동을 전달하도록 구성되어 있다. 또한 가요성 필름(42)에는 강도를 확보하기 위한 요철 가공이 더해지고 있다.
이상과 같이 구성된 스피커 본체에 대해서, 도 1에 나타내는 디지털 구동계를 접속하여 디지털 스피커 유닛을 구성한다. 디지털 음원으로부터 공급되는 디지털 음성 신호에 의한 스피커 본체의 구동 방법은 전술한 바와 같다.
이와 같이, 탄소질 음향 진동판(41)을 필요한 강성과 가요성이 있는 가요성 필름(42)으로 유지함으로써, 탄소질 음향 진동판을 프레임에 유지하는 구조에 비해, 높은 음압을 실현할 수 있다. 본 발명자에 의한 검증 실험에서는 필름에 탄소질 진동판을 조합함으로써, 피크 음압으로서 90 dBspl를 실현할 수 있었다. 따라서, 높은 음압을 필요로 하는 용도에서는, 도 8에 나타내는 바와 같이 탄소질 음향 진동판(41)을 가요성 필름(42)으로 유지하는 구성이 바람직하다.
(제2 실시 형태)
다음으로, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해 설명한다. 도 9는 본 발명의 제2 실시 형태와 관련된 디지털 스피커 유닛의 구성을 나타내는 모식도이며, 스피커 본체의 단면 구조를 나타내고 있다. 또한 제1 실시 형태와 동일 구성의 부분에는, 동일한 부호를 교부하여 설명을 생략하고, 제1 실시 형태와의 차이점을 중심으로 설명한다.
스피커 본체(100)는 철편(鐵片)으로 구성되어 단면 U형상을 이루는 요크(121), 센터피스(122), 마그넷(123), 통 형상을 이루는 보이스 코일(124) 및 탄소질 음향 진동판(125)을 구비하고 있다. 요크(121)는 보이스 코일(124)의 외경보다 약간 큰 내경을 가지는 유저통체(有底筒體)를 이루고 있다. 요크(121)의 저면 바깥 주연부로부터 생기는 요크벽부(121a, 121b)는, 보이스 코일(124)의 외주면과 대향한다. 보이스 코일(124)의 내부 공간에 센터피스(122)가 배치되어 있다.
센터피스(122)의 밑면과 요크(121)측의 대향면(요크 윗면)의 사이에는 마그넷(123)이 설치되어 있다. 마그넷(123)은 센터피스(122)의 밑면과 접하는 윗면이 일방의 자극(예를 들어 N극)에 착자(着磁)되고, 요크(121)의 윗면과 접하는 밑면이 타방의 자극(예를 들어 S극)에 착자되어 있다. 이 마그넷(123)과 요크(121)와 센터피스(122)에 의해 자기회로를 구성하고 있다.
요크(121) 및 센터피스(122)를 평면에서 볼 때의 형상에 대해서는, 특별히 한정되지 않지만, 요크(121)가 유저원통 형상 또는 사각통 형상을 이루는 경우이면, 센터피스(122)는 같은 형상(유사 형상)의 원형 또는 사각형을 이루고, 한편 요크벽부(121a, 121b)와 센터피스(122) 외주부 사이에 갭이 형성되는 정도의 치수로 설정된다.
요크벽부(121a, 121b)와 센터피스(122) 바깥 주연부의 사이에 형성된 갭에 보이스 코일(124)이 배치되어 있다. 보이스 코일(124)은 복수의 단위 보이스 코일(124-1,124-2,124-3)을 직경 방향으로 중첩하여 구성되어 있다. 복수의 단위 보이스 코일(124-1,124-2,124-3)의 수 N은 온도계 코드 변환부(13)의 출력 비트수 N에 대응시키고 있다. 보이스 코일(124)은 적어도 보이스 코일(124)의 일부가 요크벽부(121a(121b))와 센터피스(122) 바깥 주연부의 사이의 갭에 걸리도록 배치된다. 도 9에는 보이스 코일(124)의 하부가 갭에 걸리도록 배치한 예가 도시되어 있다. 단위 보이스 코일(124-1, 124-2, 124-3)은 도전성 와이어를 단면 타원 형상으로 만들어 가공한 와이어를 통 형상에 감아 구성되어 있다.
요크(121) 및 센터피스(122)의 윗면으로부터 윗쪽에 소정 거리 L1만큼 떨어진 위치에 탄소질 음향 진동판(125)이 배치되어 있다. 탄소질 음향 진동판(125)은 보이스 코일(124)의 외경 치수보다 큰 치수를 가지고 있다. 탄소질 음향 진동판(125)의 밑면에 대해 보이스 코일(124)의 일방의 개구 단부가 직접 맞닿은 상태로 접착 고정되고 있다. 즉, 보이스 코일(124)의 일단부가 탄소질 음향 진동판(125) 측에 고정되고 보이스 코일(124)의 타방의 개구 단부가 자유단이 되고 있다. 또한 보이스 코일(124)은 탄소질 음향 진동판(125)의 바깥 주연부로부터 소정 거리 L2만큼 안쪽으로 들어간 위치에, 직경 방향의 최외주 위치가 배치되도록 장착되고 있다.
요크(121), 보이스 코일(124) 및 탄소질 음향 진동판(125)의 외주를 둘러싸도록 프레임(126)이 배치되어 있다. 프레임(126)은 강성이 높은 지지부(127)를 통해 요크(121)를 유지하고, 탄성을 가지는 엣지(128)를 통해 탄소질 음향 진동판(125)을 진동 가능하게 지지하고 있다. 엣지(128)는 탄소질 음향 진동판(125)을 진동 가능하게 지지하는 기능과 탄소질 음향 진동판(125)의 진동이 계속하는 것을 억제하는 댐퍼 기능을 구비하는 것이 바람직하다.
상기한 대로, 탄소질 음향 진동판(125)의 바깥 주연부로부터 소정 거리 L2만큼 안쪽으로 들어간 위치에 보이스 코일(124)의 직경 방향의 최외주부가 위치하고 있다. 본 실시의 형태는, 보이스 코일(124)의 일방의 개구 단부가 직접 맞닿아 있지 않는 영역이 되는, 탄소질 음향 진동판(125)의 바깥 주연부로부터 거리 L2까지의 범위에서, 엣지(128)의 진동판측 단부를 고정하는 설치부(129)를 확보하고 있다. 즉, 엣지(128)는 진동판측 단부가 설치부(129)에 고정되어 프레임측 단부가 프레임(126)의 일부에 고정되어 있다.
여기서, 보이스 코일(124)의 제조 공정에 대해서 도 10 ~ 도 13을 참조하여 설명한다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 드럼(41)에 감긴 코일용 와이어(42)를 계속 공급하고, 한 쌍의 롤러(43a, 43b) 사이에 통과시켜 누르고 있다. 그 결과, 도 11에 나타내는 바와 같이, 롤러 통과 후의 코일용 와이어(42a)는 단면 형상이 진원(眞円)으로부터 타원 형상으로 변형한다.
다음으로, 도 12에 나타내는 바와 같이, 단면 형상이 타원 형상으로 변형한 코일용 와이어(42a)를, 권선 지그(44)를 이용하여 보이스 코일(124)의 통 형상이 되도록 감는다. 도 9에 도시된 3 채널(124-1, 124-2, 124-3) 구조의 경우, 가장 안쪽에 위치하는 단위 보이스 코일(124-3)을 최초로 권선 지그(44)에 감는다. 권선 지그(44)의 감김부(44a)는 보이스 코일(124)의 직경 방향의 단면 형상과 동일 형상으로 하는 것이 바람직하다. 도 12에서는 모식적으로 타원형을 예시하고 있지만, 원 형상, 타원 형상, 사각 형상 등의 단면 형상을 가지는 감김부(44a)를 이용함으로써 임의의 형상으로 할 수 있다. 감는 폭은 삽입 방식의 감김부(44a)를 교환하는 것으로 조정할 수 있다.
도 13은 권선 지그(44)를 이용하여 감고 있는 도중 상태를 나타내는 단면도이다. 타원 형상으로 눌러진 코일용 와이어(42a)의 눌린 면을 감김부(44a)의 감기는 면측으로 하여 감고, 한편 회전축 방향으로 인접하는 코일용 와이어(42a) 간에 간극이 비지 않게 조밀하게 감고 있다. 따라서, 코일 직경 방향과 직교하는 방향으로 인접하는 인접 와이어 간에 당해 와이어 단면의 장축 방향이 조밀하게 접하도록 통 형상으로 감긴 단위 보이스 코일을 얻을 수 있다.
권선 지그(44)의 감김부(44a) 외주면에 2층분만큼 감은 후, 가장 안쪽에 위치한 단위 보이스 코일(124-3)의 감는 작업을 종료한다. 단위 보이스 코일(124-3)을 구성하는 코일용 와이어(42a)의 양단부를 인출하고, 후술하는 드라이버 회로에 접속 가능하게 한다. 코일용 와이어(42a)의 인출 위치에 대해서는 후술한다.
다음으로, 가장 안쪽에 위치하는 단위 보이스 코일(124-3)의 외주면에 대해, 중간에 위치하는 단위 보이스 코일(124-2)을 구성하는 코일용 와이어(42a)를 단위 보이스 코일(124-3)과 같이 감는다. 이 때, 코일용 와이어(42a)가 단면 타원 형상으로 눌러지고 있어 눌러진 평면끼리를 접촉시켜 적층하고 있으므로, 와이어가 무너지는 일 없이 적층할 수 있다. 중간에 위치하는 단위 보이스 코일(124-2)의 감는 작업이 종료하면, 동일하게 하여, 가장 외측에 위치하는 단위 보이스 코일(124-1)의 감는 작업을 실시한다.
상기한 것처럼, 안쪽에 위치하는 단위 보이스 코일의 외주에 외측으로 위치하는 단위 보이스 코일의 코일용 와이어(42a)를 감음으로써, 대경측의 단위 보이스 코일에 소경측의 단위 보이스 코일을 차례차례 삽입한 구조가 된다.
제작된 보이스 코일(124)에 발생하는 진동을 효율 좋게(로스 없이) 탄소질 음향 진동판(125)에 전하기 위해서는, 직경 방향과 직교하는 방향으로 코일용 와이어를 조밀하게 배치함과 아울러, 단위 보이스 코일이 일체화하고 있는 것이 바람직하다. 그래서, 단위 보이스 코일을 일체화하기 위해, 코일용 와이어를 감은 후, 예를 들어. 경화성 수지로 코일 전체를 굳히는 것이 바람직하다.
이와 같이 하여, 복수 채널 분의 단위 보이스 코일(124-1, 124-2, 124-3)이 일체화된 보이스 코일(124)을 얻을 수 있다. 이 보이스 코일(124)의 일방의 개구 단부를 탄소질 음향 진동판(125)의 밑면에 맞닿도록 한 상태로 접착 고정한다.
또한 단위 보이스 코일을 단체로 진동시키는 경우는, 개개의 단위 보이스 코일의 내경에 맞춘 감김부(44a)를 가진 권선 지그(44)를 각각 준비하고, 내경이 다른 개개의 단위 보이스 코일을 1개씩 제작한다. 단위 보이스 코일마다 경화성 수지로 굳힌다. 그 후, 외경의 큰 단위 보이스 코일의 안쪽에, 다음으로 내경의 작은 단위 보이스 코일을 삽입하여, 내경이 다른 복수의 단위 보이스 코일을 조합하여 1개의 보이스 코일(124)을 작성한다.
또한 휴대 전화기 등에 탑재되는 소형의 스피커 유닛의 경우, 단위 보이스 코일(124-1, 124-2, 124-3)로부터 인출되는 인출선의 텐션이 탄소질 음향 진동판(125)의 진동 특성에 큰 영향을 준다. 탄소질 음향 진동판(125)이 소형·경량화하는데 따라서, 인출선이 진동 특성에 주는 영향은 커진다. 한편, 채널수(단위 보이스 코일수 N)를 1개 증가할 때마다 인출선이 2개 추가되므로, 채널수의 증가에 따라 인출선이 증가한다. 이 때문에, 단위 보이스 코일(124-1, 124-2, 124-3)로부터 인출되는 인출선에 대해서는, 탄소질 음향 진동판(125)의 진동 특성을 열화 시키지 않는 인출 구조가 요구된다.
도 14는 6개의 단위 보이스 코일을 갖춘 보이스 코일(124)에 있어서의 인출선 배치를 나타내는 모식적인 사시도이다. 6개의 단위 보이스 코일(124-1~124-6)로부터 각각 2개의 인출선이 나타나고 있다. 동 도면에 나타내는 바와 같이, 장방형의 탄소질 음향 진동판(125)의 경우, 각 장변에서는 2개의 단위 보이스 코일(124-1,124-2)(124-4,124-5)로부터 각각 2개로 합계 4개의 인출선이 인출되고, 각 단변에서는 1개의 단위 보이스 코일(124-3, 124-6)로부터 각각 2개의 인출선이 인출되고 있다. 이와 같이, 탄소질 음향 진동판(125)로부터의 인출선의 인출 위치를 진동판 모든 외주에 대해서 균등하게 분산시키는 것이 바람직하다. 또한 보이스 코일(124)을 구동하는 구동계의 구성에 대해서는 제1 실시 형태와 같기 때문에 설명을 생략한다.
본 실시의 형태의 스피커 본체(100)는 도 9에 나타내는 바와 같이, 보이스 코일(124)의 일단부가 탄소질 음향 진동판(125)에 직접 맞닿는 구조이므로, 디지털 음성 신호에 대응해 보이스 코일(124)에 여기된 진동이 로스 없이 탄소질 음향 진동판(125)에 전해진다. 즉, 디지털 구동 가능한 보이스 코일(124)로 여기한 진동을 고효율로 탄소질 음향 진동판(125)에 전할 수 있기 때문에, 디지털 음성 신호를 충실히 재생한 소리를 출력 가능한 디지털 스피커를 실현할 수 있다.
또한 보이스 코일(124)의 일단부가 탄소질 음향 진동판(125)에 직접 맞닿아 있으므로, 보이스 코일(124)에 발생한 열(줄(Joule)열)이 탄소질 음향 진동판(125)에 전해져 효율적으로 방열된다. 즉, 본 실시의 형태에 의하면, 열전도 특성이 뛰어난 탄소질 음향 진동판(125)을 보이스 코일(124)의 방열판으로서 작용시킬 수 있다. 그 결과, 보이스 코일(124)의 발열에 의한 특성 열화를 방지할 수 있음과 아울러, 방열 대책을 간소화하는 것에 의한 구성의 간소화를 도모할 수 있다.
탄소질 음향 진동판(125)이 댐퍼 기능을 갖는 엣지(128)를 통해 프레임(126)에 지지되고 있으므로, 디지털 데이터에 대응하여 탄소질 음향 진동판(125)이 진동하지만, 후속의 음성 데이터에 의한 진동에 악영향이 없도록, 당해 디지털 데이터에 대응하는 진동이 신속하게 엣지(128)에 흡수된다.
게다가, 댐퍼 기능을 갖는 엣지(128)의 진동판측 단부는 보이스 코일(124)이 맞닿는 위치에서 외측으로 벗어난 설치부(129)에 고정되어 있다. 따라서, 보이스 코일(124)이 탄소질 음향 진동판(125)에 주는 진동을, 댐퍼 기능을 갖는 엣지(128)가 직접 흡수하여 탄소질 음향 진동판(125)이 휘기 어렵게 되는 불편을 회피할 수 있어 탄소질 음향 진동판(125)의 진동 특성의 열화를 최소한으로 억제할 수 있다.
또한 보이스 코일(124)은 코일용 와이어(42)를 단면 타원 형상으로 눌러 평면측을 겹쳐 다중으로 감고 있으므로, 복수의 단위 보이스 코일(124-1~124-3)을 다층으로 중첩했을 때의, 보이스 코일 전체의 내경과 외경의 차이를 작은 치수로 억제할 수 있다. 요크 단부(121a, 121b)와 센터피스(122) 바깥 주연부의 사이에 형성되는 갭은 작은 쪽이 자기(磁氣) 손실을 작게 억제하는 바, 당해 갭에 배치되는 보이스 코일(124)의 내경과 외경의 차이를 작은 치수로 할 수 있으므로, 그에 따라 갭도 작게 하여 자기 손실을 억제한 효율적인 구동이 가능하게 된다.
다음으로, 스피커 본체(1)의 변형예에 대해 설명한다.
도 15는 탄소질 음향 진동판에 보이스 코일의 높이 위치를 조정하는 철부(凸部)를 형성한 예를 나타내고 있다. 구동계의 회로 구성은 앞서 말한 실시 형태와 동일한 구성을 적용할 수 있다.
요크벽부(121a, 121b)와 센터피스(122) 바깥 주연부의 사이에 형성되는 갭에 적어도 보이스 코일(124)의 일부가 개재하고 있으면, 어느 정도의 자속이 보이스 코일(124)을 횡단할 수 있다. 특히, 보이스 코일(124)의 중심부가 갭 위치에 오도록 배치하여, 보이스 코일(124)을 횡단하는 자속수가 최대가 되고, 보이스 코일(124)에 전류를 흘림으로써 최대 응력이 발생한다. 즉, 도 15에 나타내는 바와 같이, 보이스 코일(124)의 중심부가 갭 위치에 오는 배치가, 가장 효율적으로 탄소질 음향 진동판(51)을 진동시킬 수 있다.
여기서, 탄소질 음향 진동판(51; 밑면)과 센터피스(122; 윗면)의 사이는 탄소질 음향 진동판(51)의 진동시의 스트로크를 확보하기 위해서, 최대 스트로크에 다소의 여유를 가진 치수로 설정된다. 이 때문에, 탄소질 음향 진동판(51)(밑면)과 센터피스(122)(윗면)의 간격을 조정하여 보이스 코일(124)과 갭 위치의 위치 관계를 조정하는데에는 한계가 있다. 한편, 보이스 코일(124)의 길이를, 진동판과 반대측(도 16(a)의 하부측)으로 연장하면, 보이스 코일(124)의 중심부를 갭 위치에 배치할 수 있다. 그러나 보이스 코일(124)의 길이를 확장하면, 와이어 거리가 늘어나므로 중량이 증대한다. 상기한 대로, 보이스 코일(124)은 탄소질 음향 진동판(51)이 직접 유지하므로, 보이스 코일(124)의 중량이 증대할 방향의 대책은 바람직하지 않다.
그래서 탄소질 음향 진동판(51)에 있어서 보이스 코일 설치부를 돌출시킨 철부(52)를 형성하고, 당해 철부(52)에 보이스 코일(124)의 일단부를 접착 고정하는 구조로 했다. 철부(52)의 높이 D1은, 보이스 코일(124)의 중심부가 갭 위치로 되는 치수로 조정된다. 도 15에서는 보이스 코일(124)의 일단부로부터 거리 D2의 위치가 중심부로 되고 있다.
탄소질 음향 진동판(51)에 철부(52)를 형성함으로써 철부(52)만큼 중량이 증가한다. 이에, 철부(52)를 공동(空洞) 모양으로 도려내 중량 증가를 억제할 수 있다. 또는 철부(52) 이외 부분의 탄소질 음향 진동판(51)의 두께 d1를 얇게 하여 총 중량의 증가를 억제해도 좋다.
이와 같은 변형예에 의하면, 탄소질 음향 진동판(51)에 있어서 보이스 코일 설치부를 돌출시킨 철부(52)를 형성하고, 보이스 코일(124)의 중심부가 갭 위치에 오도록 배치했기 때문에, 보이스 코일(124)을 통과하는 자속수를 최대화할 수 있어 가장 효율적으로 탄소질 음향 진동판(51)을 진동시킬 수 있다.
또한 도 16에 나타내는 바와 같이, 탄소질 음향 진동판(51)에 철부(52)를 형성함과 아울러, 탄소질 음향 진동판(51)의 판두께 d1를 얇게 한다. 이로 인해, 탄소질 음향 진동판(51)의 휘어짐 강도가 저하하므로, 강도를 올리기 위해서 진동판 표면에 보강용의 리브부(53)를 형성해도 좋다. 동 도면에는, 사각형의 탄소질 음향 진동판(51)을 예시하고 있으나, 본 발명은 그 외의 형상에도 적용 가능하다.
도 17(a), (b)는 보이스 코일을 구성하는 와이어의 적층 방향을 바꾼 스피커 본체의 변형예를 나타내는 도면이다. 동 도면 (a)는 도 9에서 나타내는 스피커 본체(100)와 기본 구조가 동일하며, 동 도면 (b)는 도 17에 나타내는 스피커 본체(100)와 기본 구조가 동일하다.
도 17(a), (b)에 나타내는 스피커 본체는, 보이스 코일(124)을 구성하고 있는 각 단위 보이스 코일(60-1, 60-2, 60-3)을 타원 형상으로 눌러진 코일용 와이어의 서로의 평면을 중첩하도록 적층하여 구성되고 있다. 개개의 단위 보이스 코일은, 눌러진 코일용 와이어의 평면부를 중첩하도록 권선 지그(44)의 감김부(44a)에 감아 돌려 제작된다. 이것에 의해, 개개의 단위 보이스 코일은, 코일용 와이어가 조밀하게 접촉해 배열되므로, 보이스 코일(124)에 여기된 진동을 탄소질 음향 진동판(51)에 전할 때의 로스가 한층 더 억제된다.
또한 도 17(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 각 단위 보이스 코일은 직경 방향으로의 겹침 수를 줄이는 것으로(1회), 요크 단부(121a, 121b)와 센터피스(122) 외주부의 사이의 갭이 커지는 것을 방지할 수 있다.
이상의 설명에서는, 탄소질 음향 진동판을 엣지를 통해 프레임에 유지하는 구조에 대해서 예시했지만, 가요성 필름으로 탄소질 음향 진동판을 유지하는 구조로 하는 것도 가능하다. 가요성 필름의 필름 평면에 탄소질 음향 진동판의 개구 단부를 고정하고, 가요성 필름은 엣지를 통하여 프레임에 진동 가능하게 고정한다. 가요성 필름의 중심에 탄소질 음향 진동판을 배치하는 것을 센터 플레이트 방식이라고 부를 수 있다.
센터 프레임 방식의 스피커 본체(100)에서는, 가요성 필름에 상기 보이스 코일(124)의 일단부를 직접 맞닿도록 하여 진동시킨다.
실시예
(실시예 1) 저밀도층의 양면을 고밀도층에서 덮는 3층의 실시예
아몰퍼스 탄소원으로서의 염화 비닐 수지 35 질량%와, 평균 입경 0.1μm이고, 길이 5μm의 카본 나노 섬유 1.4 질량%, 기공 형성을 위한 천공재로서의 PMMA를 복합한 조성물에 대해 가소제(可塑劑)로서 디알릴 프탈레이트 모노머를 첨가하고, 헨셸 믹서를 이용하여 분산시킨 후, 가압 교반기를 이용하여 충분히 혼련(混練)을 반복하여 조성물을 얻고, 펠렛타이저(pelletizer)에 의해 펠렛화하여 성형용 조성물을 얻었다. 이 성형용 조성물의 펠렛을 압출 성형으로 두께 400μm의 시트 모양의 성형물로 하고, 또한 양면에 프랑 수지를 코팅하고 경화시켜, 다층 시트로 했다. 이 다층 시트를 200℃의 에어 오븐에서 5시간 처리하여 프리커서(탄소 전구체)로 했다. 그 후, 질소 가스 중에서 20℃/h의 온도상승 속도로 승온하고, 1000℃에서 3시간 유지했다. 자연 냉각한 후에, 진공 중 1400℃에서 3시간 유지한 후, 자연 냉각하여 소성을 완료했다. 이렇게 하면, 도 18에 개념적으로 나타내는 바와 같이, 아몰퍼스 탄소(110) 중에 카본 나노 섬유의 분말(112)이 균일하게 분산하고, PMMA의 입자가 소실한 후에 남은 구 모양의 기공(114)을 가지는 다공체의 저밀도층(116)과 그 양면을 덮는 아몰퍼스 탄소(110)로 이루어진 고밀도층(118)을 갖는 음향 진동판을 얻을 수 있었다.
이와 같이 하여 얻을 수 있던 음향 진동판의 저밀도층(116)의 기공률은 70%, 수평균 기공 직경은 60μm였다. 진동판 전체에서는, 두께 약 350μm, 굴곡강도 25 MPa, 영률 8 GPa, 음속 4200 m/sec, 밀도 0.45 g/cm3, 흡습성 1 질량% 이하로 우수한 물성을 갖는 것이었다.
또한 음속은 밀도와 영률의 실측치로부터 계산에 의해 구했다(이하 같음). 흡습성은 100℃에서 30분간 건조한 후, 온도 25℃, 습도 60%의 환경에 방치했을 때의 질량 증가율(%)이다. 도 19에 경과시간과 질량 변화율의 관계를 나타낸다. 비교예 1로서 마지막 소성(탄소화)의 온도를 1000℃으로 했을 때의 결과도 나타낸다. 도 19로부터 알 수 있듯이, 탄소화 온도를 1200℃이상으로 하는 것으로, 250시간 후의 질량의 증가가 5% 이하인 흡습성이 낮은 진동판을 얻을 수 있다.
(실시예 2) 고밀도층에 필러(흑연)를 넣은 실시예
아몰퍼스 탄소원으로서의, 염화 비닐 수지 35 질량%와 평균 입경 0.1μm이고 길이 5μm의 카본 나노 섬유 1.4 질량%, 기공 형성을 위한 천공재로서 PMMA를 복합한 조성물에 대해 가소제로서 디알릴 프탈레이트 모노머를 첨가하고, 헨셸 믹서를 이용하여 분산시킨 후, 가압 교반기를 이용하여 충분히 혼련을 반복해 조성물을 얻고, 펠렛타이저에 의해 펠렛화하여 성형용 조성물을 얻었다. 이 성형용 조성물의 펠렛을 압출 성형으로 두께 400μm의 시트 모양의 성형물로 하고, 또한 프랑 수지에 평균 입경 4μm정도의 흑연(일본 흑연제 SP270) 5 질량%를 분산시켜, 경화제를 넣은 액을 양면에 코팅하여 경화시켜, 다층 시트로 했다. 이 다층 시트를 200℃의 에어 오븐에서 5시간 처리하여 프리커서서(탄소 전구체)로 했다. 그 후, 질소 가스중에서 20℃/h의 온도상승 속도로 승온하고, 1000℃에서 3시간 유지했다. 자연 냉각한 후에, 진공 중에서 1500℃에서 3시간 유지한 후, 자연 냉각하여 소성을 완료하고, 복합 탄소 진동판을 얻었다.
이와 같이 하여 얻은 음향 진동판의 저밀도층의 기공률은 70%, 수평균 기공 직경은 60μm였다. 진동판 전체는 두께 약 350μm, 굴곡강도 23 MPa, 영률 5 GPa, 음속 3333 m/sec, 밀도 0.45 g/cm3인 우수한 물성을 갖는 것이었다.
(실시예 3) 다공체만의 실시예
기공률 50% 단층 성형체 아몰퍼스 탄소원으로서의, 염화 비닐 수지 54 질량%와 평균 입경 0.1μm이고, 길이 5μm의 카본 나노 섬유 1.4 질량%, 기공 형성을 위한 천공재로서 PMMA를 복합한 조성물에 대해 가소제로서 디알릴 프탈레이트 모노머를 첨가하고, 헨셸 믹서를 이용하여 분산시킨 후, 가압 교반기를 이용해 충분히 혼련을 반복해 조성물을 얻고, 펠렛타이저에 의해 펠렛화하여 성형용 조성물을 얻었다.이 펠렛을 이용하여 두께 400μm의 필름 모양의 압출 성형을 실시했다. 이 필름을 200℃로 과열한 에어 오븐에서 5시간 처리하여 프리커서(탄소 전구체)로 했다. 그 후, 질소 가스 중에서 20℃/시 이하의 온도상승 속도로 승온하고, 1000℃에서 3시간 유지했다. 자연 냉각한 후에, 진공 분위기 중 1500℃에서 3시간 유지한 후, 자연 냉각해 소성을 완료하여, 복합 탄소 진동판을 얻었다.
이와 같이 하여 얻은 다공질의 음향 진동판은, 기공률이 50%, 기공 직경 60μm, 두께 약 350μm, 굴곡강도 29 MPa, 영률 7 GPa, 음속 3055 m/sec, 밀도 0.75 g/cm3인 우수한 물성을 가지는 것이었다.
다음으로, 상술한 디지털 스피커 유닛에 상기 실시예 1에서 작성한 진동판을 사용했을 경우의 스피커의 주파수 특성에 대해서 설명한다. 디지털 스피커 유닛에 구비되는 보이스 코일(24)은 6개의 보이스 코일로부터 구성하고, 델타 시그마 변조기(11)에서는 16비트의 디지털 음성 신호를 4비트로 변환하고, 온도계 코드 변환부(12)로부터 출력되는 온도계 코드는 6비트 구성으로 했다.
도 20은 실시예 1에서 얻은 진동판을 이용했을 경우의 주파수 특성을 나타내고 있다. 동 도면에 나타내는 바와 같이, 탄소질 진동판만의 경우, 700 Hz부근으로부터 가청 주파수역의 상한이라고 말해지는 20kHz까지 매우 플랫한 특성을 실현했다. 도 20에 나타내는 주파수 특성이면, 지극히 품질이 양호한 음질을 재현할 수 있다. 또한 피크음압으로서 85 dBspl 이상을 실현하고 있다.
이상 설명한 것처럼, 본 발명의 일실시의 형태와 관련된 디지털 스피커 유닛에 의하면, 저밀도로 경량이고 충분한 강성을 가지는 탄소질 음향 진동판을 디지털 음성 신호로 직접 구동하여, 양호한 음향 특성을 실현할 수 있다.
본 출원은, 2009년 3월 11일 출원의 특원2009-057901 및 2009년 4월 30일 출원의 특원2009-111539에 기초한다. 이러한 내용은 모두 여기에 포함되어 있다.

Claims (13)

  1. 탄소질 음향 진동판과,
    도전성 와이어를 통 형상으로 감아 이루어지며 일방(一方)의 개구 단부가 상기 탄소질 음향 진동판에 직접 맞닿은 상태로 고정된 보이스 코일과,
    상기 통 형상의 보이스 코일을 직경 방향으로 관통하는 자속을 발생시키는 자속 발생 수단과,
    상기 보이스 코일에 음성 신호에 대응하는 구동 전류를 공급하는 구동 수단을 구비하며,
    상기 보이스 코일은 디지털 신호의 비트수에 대응하는 복수개의 단위 보이스 코일로 구성되고, 상기 복수개의 단위 보이스 코일의 직경 치수를 다르게 하고, 대경측의 단위 보이스 코일에 소경측의 단위 보이스 코일을 차례차례 삽입하여 이루어지고,
    상기 구동 수단은 상기 각 단위 보이스 코일을 디지털 신호의 각 비트값에 기초하여 개별적으로 구동하는 것을 특징으로 하는 스피커 유닛.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 각 단위 보이스 코일은 단면 타원 형상으로 가공된 도전성 와이어를, 코일 직경 방향과 직교하는 방향으로 인접하는 인접 와이어 사이에 당해 와이어 단면의 장축 방향이 조밀하게 접하도록 통 형상으로 감아 이루어지는 것을 특징으로 하는 스피커 유닛.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 각 단위 보이스 코일은 단면 타원 형상으로 가공된 도전성 와이어를, 코일 직경 방향과 직교하는 방향으로 인접하는 인접 와이어 사이에 당해 와이어 단면의 단축 방향이 조밀하게 접하도록 통 형상에 감아 이루어지는 것을 특징으로 하는 스피커 유닛.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소질 음향 진동판은 상기 보이스 코일의 개구 단부가 고정된 제1 주면과 이 제1 주면과 반대측의 제2 주면을 가지고, 상기 보이스 코일은 상기 개구 단부의 최외주(最外周) 위치가 진동판 바깥 주연부(周緣部)보다 내측으로 어긋난 위치에 배치되고, 상기 제2 주면으로서 상기 보이스 코일의 개구 단부의 고정 위치와 겹치지 않는 진동판 바깥 주연부에 당해 탄소질 음향 진동판을 진동 가능하게 지지하는 지지 부재의 일단부가 고정된 것을 특징으로 하는 스피커 유닛.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 자속 발생 수단은 상기 탄소질 음향 진동판에 고정된 상기 보이스 코일의 외주면과 대향하는 단부를 갖는 요크와, 상기 보이스 코일의 타방(他方)의 개구 단부로부터 코일 내부에 삽입되어 상기 요크의 대향하는 단부와의 사이에 갭(gap)을 형성하는 센터피스(centerpiece)와, 상기 센터피스와 상기 요크 사이에 마련되어 상기 센터피스측을 일방의 자극으로 하고 상기 요크측을 타방의 자극으로 하는 영구 자석을 구비하고,
    상기 탄소질 음향 진동판은 상기 보이스 코일의 개구 단부가 고정된 제1 주면과, 이 제1 주면과 반대측의 제2 주면과, 상기 제1 주면에 있어서 상기 보이스 코일의 개구 단부 고정 개소에 형성된 철부(凸部)를 구비하고, 상기 철부는 상기 보이스 코일의 중심부가 상기 요크의 단부와 상기 센터피스의 사이의 갭 위치가 되는 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 스피커 유닛.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 각 단위 보이스 코일에 접속되는 인출선의 인출 위치를, 상기 탄소질 음향 진동판 외주에 균등하게 분산한 것을 특징으로 하는 스피커 유닛.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동 수단은 디지털 음원으로부터 공급되는 다치(多値) 비트의 디지털 음성 신호를 델타 시그마 변조하는 델타 시그마 변조기를 구비하고,
    상기 델타 시그마 변조기로부터 출력되는 디지털 신호에 기초하여 상기 각 보이스 코일을 개별적으로 구동하는 것을 특징으로 하는 스피커 유닛.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 구동 수단은 상기 델타 시그마 변조기가 출력하는 소정 비트의 디지털 신호를, 상기 보이스 코일의 개수에 대응한 비트수의 온도계 코드로 변환하는 온도계 코드 변환부를 구비하는 것을 특징으로 하는 스피커 유닛.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소질 음향 진동판은 아몰퍼스(amorphous) 탄소와 이 아몰퍼스 탄소 중에 균일하게 분산한 탄소 분말을 포함하고, 기공률 40% 이상의 다공체인 것을 특징으로 하는 스피커 유닛.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄소질 음향 진동판은 아몰퍼스 탄소와 이 아몰퍼스 탄소 중에 균일하게 분산한 탄소 분말을 포함하고, 기공률 40% 이상의 다공체로 이루어진 저밀도층과, 아몰퍼스 탄소를 포함하며, 상기 저밀도층보다 두께가 얇고, 상기 저밀도층보다 밀도가 높은 고밀도층을 구비하는 것을 특징으로 하는 스피커 유닛.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 스피커 본체는 상기 탄소질 음향 진동판에 대해 상기 보이스 코일을 접촉시켜 진동시키는 것을 특징으로 하는 스피커 유닛.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 스피커 본체는 상기 탄소질 음향 진동판을 가요성(可撓性)의 필름체로 유지 하고, 상기 필름체에 대해 상기 보이스 코일을 접촉시켜 진동시키는 것을 특징으로 하는 스피커 유닛.
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