(57)【要約】【課題】本発明は、従来型のスピーカが構造的に抱える限界出力を超えて音声信号振動を増幅することのできるスピーカ装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、スターリングエンジンにおけるディスプレーサ構造に対し、スピーカにおけるボイスコイルの機能を持たせ、当該スターリングエンジンによって実現される往復運動を振動板の振幅運動に変換するスピーカ装置を提供する。本発明においては、音声信号電流の持つ電力エネルギーは、ボイスコイルとして機能するディスプレーサを振幅駆動するためだけに使用され、振動板の駆動力は、外部熱源から供給される熱エネルギーによって生成されるため、消費電力に関係なく、熱エネルギー量を制御することよって、音声信号振動を増幅して大音響を生成することができる。【選択図】図１
2010273156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱エネルギーによって振動板を駆動するスピーカ装置であって、
熱源に対し熱的に接続される底面とリング状の永久磁石を含む周壁とを備えるシリンダ状の密閉容器と、
前記密閉容器に接続され、該密閉容器内の圧力の変化を往復運動に変換するための振動部と、
前記振動部に接続される振動板とを含み、
前記シリンダ状の密閉容器は、内部に、音声信号電流を流すためのコイルが巻かれたピストン部材を摺動自在に備える、
スピーカ装置。
【請求項２】
前記ピストン部材は、前記コイルに流れる音声信号電流によって発生するローレンツ力によって振幅駆動される、請求項１に記載のスピーカ装置。
【請求項３】
前記密閉容器の内部には支持体が突設され、前記ピストン部材は、前記支持体が嵌挿されて摺動自在に支持される、請求項１または２に記載のスピーカ装置。
【請求項４】
前記振動部は、摺動部を含むシリンダ−ピストン構造を備え、前記振動板は、前記摺動部に接続される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のスピーカ装置。
【請求項５】
前記密閉容器の前記底面に伝熱インターフェース部をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載のスピーカ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピーカ装置に関し、より詳細には、熱エネルギーを利用して音声信号振動を増幅するスピーカ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特開２００８−１０９５８７号公報（特許文献１）が開示するような外磁型ダイナミックスピーカが広く使用されている。以下、図１５を参照して、スピーカの作動原理について概説する。図１５は、一般的な外磁型ダイナミックスピーカ１００の概略図を示す。外磁型ダイナミックスピーカ１００は、一般にコーンと呼ばれる振動板１０２と、振動板１０２に接続されるボイスコイル１０４と、ボイスコイル１０４を取り巻くように配置されるリング型永久磁石１０６と、リング型永久磁石１０６磁気的に接続される透磁性の高い金属からなるヨーク１０８とを含んで構成されている。
【０００３】
パワーアンプから音声信号としての交流電流がボイスコイル１０４に流れると、リング型永久磁石１０６から発生する磁場の影響によって、ボイスコイル１０４に対して細い実線矢印の方向にローレンツ力が作用する。その結果、ボイスコイル１０４に接続された振動板１０２が図中の太い実線矢印の方向に押し出される。一方、ボイスコイル１０４に電流が逆向きの流れになると、ボイスコイル１０４に対して細い破線矢印の方向にローレンツ力が作用すると共に、ダンパ１１０およびエッジ１１２などの機械抵抗の作用で、振動板１０２（すなわち、ボイスコイル１０４）は、図中の太い破線矢印の方向に押し戻される。上述した機構によって、振動板１０２は、音声信号の振幅に同期して振動し、その結果、パワーアンプから入力された音声信号としての交流電流の電気エネルギーは、空気の振動（音波）に変換されることになる。
【０００４】
上述した機構を有する従来のスピーカを使用して、大音響を実現するためには、ボイスコイル１０４に大きな電流を流す必要があるが、流す電流の大きさが許容範囲を超えるとボイスコイル１０４がジュール熱によって焼けてしまう。したがって、磁場に働くローレンツ力を使用する従来型のスピーカは、その出力の大きさに構造的な限界があった。また、従来の大出力スピーカは強い電磁波を発生するため、近くにある計器類や人体に悪影響を及ぼす虞があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１０９５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、従来型のスピーカが構造的に抱える限界出力を超えて音声信号振動を増幅することのできる新規なスピーカ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、従来型のスピーカが構造的に抱える限界出力を超えて音声信号振動を増幅することのできる新規なスピーカ装置につき鋭意検討した結果、スピーカ装置の振動機構に対し、スターリングエンジンの駆動機構を適用することに想到し、本発明に至ったのである。すなわち、本発明においては、スターリングエンジンにおけるディスプレーサに対し、スピーカにおけるボイスコイルの機能を持たせ、当該スターリングエンジンによって実現される往復運動を振動板の振幅運動に変換する。本発明においては、音声信号電流の持つ電力エネルギーは、ボイスコイルとして機能するディスプレーサを振幅駆動するためだけに使用され、振動板の駆動力は、外部熱源から供給される熱エネルギーによって生成されるため、ボイスコイルに流す消費電力に関係なく、熱エネルギー量を制御することよって、音声信号振動を増幅して大音響を生成することができる。なお、本発明における音声信号振動とは、音声信号に対応した振動板の振幅運動を意味する。
【０００８】
すなわち、本発明よれば、熱エネルギーによって振動板を駆動するスピーカ装置であって、熱源に対し熱的に接続される底面とリング状の永久磁石を含む周壁とを備えるシリンダ状の密閉容器と、前記密閉容器に接続され、該密閉容器内の圧力の変化を往復運動に変換するための振動部と、前記振動部に接続される振動板とを含み、前記シリンダ状の密閉容器は、内部に、音声信号電流を流すためのコイルが巻かれたピストン部材を摺動自在に備えるスピーカ装置が提供される。本発明においては、前記ピストン部材は、前記コイルに流れる音声信号電流によって発生するローレンツ力によって振幅駆動される。また、本発明においては、前記密閉容器の内部には支持体が突設され、前記ピストン部材は、前記支持体が嵌挿されて摺動自在に支持されることができる。さらに、本発明においては、前記振動部は、摺動部を含むシリンダ−ピストン構造を備え、前記振動板は、前記摺動部に接続されることができる。さらに加えて、本発明においては、前記密閉容器の前記底面に伝熱インターフェース部をさらに備えることができる。さらに、本発明においては、前記密閉容器を、軟磁性材料によって形成し、前記密閉容器に、前記永久磁石に磁気的に接続される支持体を突設し、前記ピストン部材は、前記支持体が嵌挿され、摺動自在に支持されるように構成することができる。本発明においては、前記支持体は、前記密閉容器の内壁面との間に磁場を生成するように設けることができる。
【発明の効果】
【０００９】
上述したように、本発明によれば、従来型のスピーカが構造的に抱える限界出力を超えて音声信号振動を増幅することのできる新規なスピーカ装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態の熱スピーカ装置を示す図。
【図２】本実施形態の熱スピーカ装置の動作を説明するための概念図。
【図３】本実施形態の熱スピーカ装置の動作を説明するための概念図。
【図４】本実施形態の熱スピーカ装置の動作を説明するための概念図。
【図５】本実施形態の熱スピーカ装置の密閉容器内の空気の状態遷移図。
【図６】本実施形態の熱スピーカ装置の音声信号振動の増幅を説明するための概念図。
【図７】本発明の熱スピーカ装置における振動部の代替実施形態を示す図。
【図８】本発明の熱スピーカ装置の代替実施形態を示す図。
【図９】本発明の熱スピーカ装置の代替実施形態を示す図。
【図１０】本発明の熱スピーカ装置の代替実施形態を示す図。
【図１１】本実施形態の熱スピーカ装置のシリンダ部に形成される支持体の代替実施形態を示す図。
【図１２】実験装置の概略図。
【図１３】音声スペクトル解析ソフトによるスペクトル解析結果を示す図。
【図１４】約30Hzのスペクトル成分のデシベル値の時系列データを示した図。
【図１５】従来の外磁型ダイナミックスピーカの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。
【００１２】
図１は、本発明の熱エネルギーを利用して音声信号振動を増幅するスピーカ装置（以下、熱スピーカ装置として参照する）の実施形態である熱スピーカ装置１０を示す図である。図１（ａ）は、熱スピーカ装置１０の側断面図を示し、図１（ｂ）は、熱スピーカ装置１０の内部を切り欠いて示した斜視図を示す。熱スピーカ装置１０は、シリンダ状に形成された密閉容器１２と、密閉容器１２の内部空間に連通するように接続され、密閉容器１２内の空気の温度変化によって引き起こされる内部圧力の変化を往復運動に変換する機構である振動部１４と、振動部１４に接続され、振動部１４の往復運動を空気振動に変換するためのコーン状に形成された振動板１６とを含んで構成されている。なお、振動板１６には、必要に応じて、従来型のスピーカに設けられるダンパおよびエッジなどの機械抵抗が付加される。
【００１３】
一方、シリンダ状に形成された密閉容器１２の一方の底面には、密閉容器の一部を構成する首部２０が形成されている。首部２０は最大外径からフランジを経て、より小さい径のシリンダ部を持った段付き形状となっている。この首部２０のシリンダ部には、振動板１６の底部に接続された摺動部１８が挿嵌されており、その結果、密閉容器１２の内部に空気が密封されている。摺動部１８は、首部２０のシリンダ部に対して摺動自在に挿嵌されており、摺動部１８の矢印方向の摺動に応じて密閉容器１２の内部に密封される空気の体積が増減するように構成されている。すなわち、本実施形態においては、首部２０のシリンダ部と摺動部１８からなるシリンダ−ピストン構造によって振動部１４が形成されている。
【００１４】
ここで、密閉容器１２は、伝熱インターフェース部３４を経て外部熱源から伝わってきた熱を密閉容器１２の底部１９の底面１９ｂから内部底面１９ａを経て容器内部の空気に速やかに伝え、また、当該空気の熱を外部に速やかに放熱することができるように、概ね、銅などの熱伝導率の高い材料から形成されている。さらに、密閉容器１２内に磁場を発生させるために、密閉容器１２の周壁の一部は、リング状の永久磁石２２によって構成されている。ただし、本実施形態においては、リング状の永久磁石２２は、リング状の断熱材２４,２４によって左右から挟みこまれる形で密閉容器１２の周壁に固定されており、外部熱源からの熱が密閉容器１２の周壁を介して伝導しないように、熱的に断絶されている。
【００１５】
さらに、密閉容器１２は、その内部に、内部底面１９ａの中心部から突設された円柱形状の支持体２６と、ボイスコイル−ディスプレーサ２８を含んで構成されている。ボイスコイル−ディスプレーサ２８は、円柱状のピストン部材３０にコイル３２が巻かれてなるものであり、コイル３２は、図示しないパワーアンプ装置等に電気的に接続される。また、ピストン部材３０には、支持体２６を嵌挿するための貫通孔が形成されており、支持体２６が当該貫通孔を貫通する形でピストン部材３０が嵌挿されている。その結果、ボイスコイル−ディスプレーサ２８は、支持体２６によって、密閉容器１２内部空間を矢印方向に摺動自在に支持されている。なお、支持体２６は、断熱材２４,２４と同様に熱伝導性が低い耐熱性の材料によって形成することが好ましい。
【００１６】
本実施形態の熱スピーカ装置１０の使用においては、密閉容器１２の底面１９ｂをガスバーナーや太陽熱集光装置などに熱源によって加熱し、当該熱源からの熱エネルギーによって、振動板１６の駆動力を生成する。本実施形態においては、密閉容器１２の底面１９ｂを熱源と直接接触させて加熱することもできるが、底面１９ｂに伝熱インターフェース部３４を設けることが好ましい。伝熱インターフェース部３４は、密閉容器１２の底面１９ｂに対して、熱的に接続可能に設けられており、熱源からもたらされる熱以外の影響（振動・磁場等）から密閉容器１２を保護するとともに、熱源から供給される、燃焼熱、電熱、太陽光熱などの熱エネルギーを密閉容器１２の内部に、均等に効率よく伝える機能を果たす。本実施形態においては、伝熱インターフェース部３４は、熱伝導性の高い耐久性材料によって形成されることが好ましい。以上、本実施形態の熱スピーカ装置１０の物理的構成について説明してきたが、次に、本実施形態の熱スピーカ装置１０の動作について、以下説明する。
【００１７】
図２（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の熱スピーカ装置１０の動作を説明するための図である。図２においては、便宜的に、密閉容器１２の拡大側断面図と熱スピーカ装置１０に入力される音声信号の波形図とを併せて示す。すでに上述したように、密閉容器１２のシリンダ部は、その周壁の一部にリング状の永久磁石２２を含んで形成されており、磁場が発生している。ここで、熱スピーカ装置１０に対して、図示しないパワーアンプから音声信号が入力されると、その音声信号の振幅に対応した大きさの電流がボイスコイル−ディスプレーサ２８のコイル３２に流れ、コイル３２は、磁場から、その電流の大きさに応じたローレンツ力の作用を受ける。
【００１８】
その結果、ボイスコイル−ディスプレーサ２８は、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、音声信号の振幅に同期して前後に摺動する。すなわち、本実施形態におけるボイスコイル−ディスプレーサ２８は、従来型スピーカにおけるボイスコイルと同様の原理によって動作するものであり、ボイスコイル−ディスプレーサ２８の摺動量（振幅）は、音声信号の電力（エネルギー量）の大きさに相関（近似的には電力量は振幅の２乗に比例する）する。ここでボイスコイル−ディスプレーサ２８を振動させる電流は電流の向きが振動周期で逆転する交流か、あるいは電流の向きは変化せず電流量が変化する直流振動（脈動流）のどちらでもよい。交流の場合はその振動は振動の中心を境に左右対称に振動する。一方、直流振動の場合はバネなどの機械抵抗を予備的に配置し、マイナス方向への戻りはその力によることで、信号電流がゼロとなるときにボイスコイル−ディスプレーサ２８が戻る定位置を常に加熱側内壁などに接触させて振動させることができる。
【００１９】
本実施形態におけるボイスコイル−ディスプレーサ２８のピストン部材３０は、テフロン（登録商標）材のような、熱に強く、熱伝導性が低く、軽い材料が好ましく、内部を中空構造として軽量化することが好ましい。なお、本実施形態においては、ボイスコイル−ディスプレーサ２８の制動を、強力な永久磁石２２を採用することによって電磁制動のみによって行う構成の他、ボイスコイル−ディスプレーサ２８に対しバネ等によって適切な機械抵抗を追加的に設けて、その反力などを利用した構成を採用することもできる。
【００２０】
以上、本実施形態におけるボイスコイル−ディスプレーサ２８が、音声信号に対してスピーカにおけるボイスコイルと同様の挙動を示すことについて説明してきたが、本実施形態におけるボイスコイル−ディスプレーサ２８は、同時に、スターリングエンジンにおけるディスプレーサ・ピストンの機能を果たす。本発明においては、このボイスコイル機能とディスプレーサ・ピストン機能とが連関することによって、熱エネルギーを利用した音声信号振動の増幅手段が実現される。この点について、図３〜５を参照しながら、以下説明する。
【００２１】
図３および図４は、本実施形態の熱スピーカ装置１０の動作を説明するための概念図であり、両図においては、説明の便宜上、永久磁石２２、支持体２６、コイル３２、および伝熱インターフェース部３４を省略して示している。また、図５は、熱スピーカ装置１０の密閉容器１２内の空気の状態遷移図を示すものであり、図５（ａ）は、密閉容器１２内に密封された空気の体積（Ｖ）と温度（Ｔ）の関係を示し、図５（ｂ）は、密閉容器１２内に密封された空気の体積（Ｖ）と圧力（Ｐ）の関係を示す。以下の説明は、図３および図４に基づいて行い、必要に応じて、適宜、図５を参照するものとする。
【００２２】
図３および図４においては、本実施形態の熱スピーカ装置１０の密閉容器１２が、底面１９ｂ（高熱源側）から熱エネルギーの供給を受け、振動部１４側（低熱源側）の壁面２０ｂを経て放熱することによって、密閉容器１２の内部空間に、加熱領域（Ｈ：高熱源側）と冷却領域（Ｃ：低熱源側）とが形成される態様を概念的に示している（ここで、放熱される場所は、シリンダ側面でも、振動板ピストンを介して振動板から放熱されても良い）。図３（１）に示す初期状態においては、ボイスコイル−ディスプレーサ２８は、加熱領域（Ｈ）をほぼ占有した状態にある。この初期状態において、熱スピーカ装置１０に対し音声信号が入力され、その電流が入力されると、ボイスコイル−ディスプレーサ２８は、その音声信号の振幅の大きさに応じて矢印方向に摺動し、図３（２）に示すように、冷却領域（Ｃ）を占有する位置に移動する。
【００２３】
すると、それまで冷却領域（Ｃ）にあった低温の空気は、ボイスコイル−ディスプレーサ２８の外周面と密閉容器１２のシリンダ部の内周面との間の隙間を通って加熱領域（Ｈ）に移動する。加熱領域（Ｈ）に移動した空気は、外部から熱エネルギーの供給を受けて加熱され、その温度が上昇する。その結果、密閉容器１２内の空気全体の平均温度が上昇し、これに伴って、密閉容器１２内の内部圧力が上昇する。
【００２４】
すなわち、図３（２）に示す段階においては、図５における符号４「状態（４）」から符号１「状態（１）」に向かう矢印が示すように、密閉容器１２内の空気の体積（Ｖ）を維持したまま、温度（Ｔ）が上昇し、内部の圧力（Ｐ）が大気圧を超えて上昇することになる（定積加熱過程）。その結果、振動部１４に対して、図中の太い矢印が示すように内部圧力が作用し、振動板１６は、図３（３）に示すように、大気圧に打ち勝って矢印の方向に押し出される。図３（３）に示す段階においては、密閉容器１２内の空気は、図５における符号１「状態（１）」から符号２「状態（２）」に向かう矢印が示すように、その高い温度を一定に保ちながら、その圧力（Ｐ）が大気圧と等しくなるまで、その体積（Ｖ）が膨張する（等温膨張過程：体積が膨張するときに使われる内部エネルギーの低下を補うために、外部から熱が供給されることで温度を一定に保つ）。ただし、厳密には膨張する領域が冷却領域のため冷却領域の割合の増加によって、図５（ａ）の破線が示すように内部平均温度は若干低下する。
【００２５】
その後、音声信号の入力電流が逆向きになると、ボイスコイル−ディスプレーサ２８は、図４（４）の状態から図４（５）に示す初期状態に戻り、再び、加熱領域（Ｈ）をほぼ占有した状態になる。すると、それまで加熱領域（Ｈ）にあった高温の空気は、ボイスコイル−ディスプレーサ２８の外周面と密閉容器１２のシリンダ部の内周面との間の隙間を通って冷却領域（Ｃ）に移動する。冷却領域（Ｃ）に移動した空気は、ボイスコイル−ディスプレーサ２８の存在によって、外部熱源から熱的に遮断されると同時に、密閉容器１２の冷却領域（Ｃ）側の壁面２０ｂを通して、熱を外部に放出する。
【００２６】
その結果、密閉容器１２内の空気全体の平均温度が低下し、これに伴って密閉容器１２内の内部圧力が低下する。すなわち、図４（５）に示す段階においては、図５における符号２「状態（２）」から符号３「状態（３）」に向かう矢印が示すように、密閉容器１２内の空気の体積（Ｖ）を維持したまま、温度（Ｔ）が下降することになる。その結果、内部の圧力（Ｐ）が大気圧以下にまで下がるため、振動部１４は、大気圧の作用によって矢印の方向に押し戻される。図４（６）に示す段階においては、密閉容器１２内の空気は、図５における符号３「状態（３）」から符号４「状態（４）」に向かう矢印が示すように、その温度を一定に保ちつつ、その圧力（Ｐ）を大気圧まで戻しながら、その体積（Ｖ）が圧縮される（等温圧縮過程：圧縮時に発生する熱を外部に放出しながら推移することで温度を一定に保つ）。ただし、厳密には体積が減少する領域が冷却領域のため冷却領域の割合の減少によって、相対的に加熱領域の割合が増加することになり、図５（ａ）の破線が示すように内部平均温度は若干上昇する。
【００２７】
以上、説明したように、本実施形態の熱スピーカ装置１０は、音声信号の入力電流の向きに同期して、図３および図４に記載した（１）〜（６）の状態を繰り返すことにより、振動板１６を振動させ、音波を生成する。ここで、本実施形態の熱スピーカ装置１０が熱エネルギーを利用することによって、どのようにして最終的に音波出力を増幅するのかについて、図６を参照して、以下詳細に説明する。
【００２８】
上述したように本実施形態の熱スピーカ装置１０においては、ボイスコイル−ディスプレーサ２８が音声信号の入力電流の向きに同期する形で、前後に摺動する。しかしながら、振動部１４は、ボイスコイル−ディスプレーサ２８が直接的に接続されていないことからも明らかなように、ボイスコイル−ディスプレーサ２８に作用するローレンツ力によって駆動されるものではない。すなわち、本実施形態の熱スピーカ装置１０は、振動部１４を駆動対象とする外燃機関（スターリングエンジン）として機能しており、外部熱源から供給される熱エネルギーを振動部１４の駆動力に転換する構成を採用している。
【００２９】
熱スピーカ装置１０を熱機関として見た場合、機械的抵抗を無視して考えると、理想気体の状態式、式（１）「ＰＶ＝ｍＲＴ」（Ｐ：内部圧力、Ｖ：内部容積、ｍ：作動媒体の質量、Ｒ：気体のガス定数、Ｔ：内部温度）より以下の理論が成り立つ。
【００３０】
図６において、振動部１４のストローク量（ΔＳＣ）は、スピーカーコーンから発せられる音波の振幅に相当し、密閉容器１２内の空気の体積の膨張量（ΔＶ）に正比例する。ここで、ΔＶは、図５において状態（１）から状態（２）へ膨張するときの膨張体積ΔＶ(1)(2)（あるいは、状態（３）から状態（４）へ圧縮するときの圧縮容積ΔＶ(３)(４)）であり、これはスピーカーコーンから発せられる音波の振幅と比例する。状態（４）から状態（１）は定積加熱であるため、定積比熱をＣＶとすると、状態（４）から状態（１）における加熱量Ｑ(4)(1)は「Ｑ(4)(1)＝ＣＶ・ΔＴ(4)(1)」となり、加熱量Ｑ(4)(1)は加熱温度ΔＴ(4)(1)と正比例となることから、加熱温度ΔＴから加熱量Ｑが一義的に導出される。したがって、膨張体積ΔＶ(1)(2)と加熱温度ΔＴ(4)(1)との関係に着目すれば、加熱量Ｑと音波の振幅の関係を説明することができる。
【００３１】
図５の状態（１）から状態（２）に膨張する場合、「ＰＶ＝ｍＲＴ」において、等温変化（Ｔが一定）の場合、質量ｍとガス定数Ｒは定数なので、「ＰＶ＝Ｃ（Const.）」となる。したがって、「Ｐ(1)Ｖ(1)＝Ｐ(2)Ｖ(2)」、すなわち「Ｐ(1)／Ｐ(2)＝Ｖ(2)／Ｖ(1)」が成立する。ここで、差圧を「ΔＰ(1)(2)＝Ｐ(1)−Ｐ(2)」とし、膨張体積を「ΔＶ(1)(2)＝Ｖ(2)−Ｖ(1)」とすると、「（Ｐ(2)＋ΔＰ(1)(2)）／Ｐ(2)＝（Ｖ(1)＋ΔＶ(1)(2)）／Ｖ(1)」となり、「ΔＰ(1)(2)／Ｐ(2)＝ΔＶ(1)(2)／Ｖ(1)」が成立する。ここで、Ｐ(2)は大気圧なので定数と見なすことができ、また、Ｖ(1)についても近似的に定数であるとすると、ΔＰ(1)(2)とΔＶ(1)(2)は比例関係となる。また、Ｐ(2)およびＰ(4)はともに大気圧であるので、「ΔＰ(1)(2)＝ΔＰ(4)(1)」となり、ΔＶ(1)(2)はΔＰ(4)(1)とも比例関係となる。
【００３２】
更に、ΔＰ(4)(1)は、状態（４）から状態（１）の変化において定積変化である。ここで、上記式（１）の変形「Ｐ＝ｍＲ／Ｖ・Ｔ」より、「Ｐ＝Ｃ（Const.）・Ｔ」となり、「ΔＰ(4)(1)＝Ｃ（Const.）・ΔＴ(4)(1)」が成立するため、ΔＰ(1)(2)とΔＴ(4)(1)は比例関係となる。ゆえに、ΔＰ(1)(2)と正比例の関係にあるΔＶ(1)(2)は、加熱温度ΔＴ(4)(1)とも比例関係となり、結局、ΔＶ(1)(2)と比例関係にある音波の振幅ΔＳＣは、状態（４）から状態（１）における空気の加熱温度ΔＴ(4)(1)と比例関係となる。従って、比例定数Ａを用いて、ΔＳＣ＝Ａ・ΔＴ(4)(1)が導かれる。
【００３３】
また、加熱温度ΔＴ(4)(1)における、Ｔ(4)およびＴ(1)は、ともに各状態での密閉容器内の平均温度Ｔaverageを示している。これらの平均温度は、加熱領域の温度ＴＨおよび冷却領域の温度ＴＬと、作動流体である空気の加熱領域および冷却領域における存在比に相関する。すなわち、ここで、ボイスコイル−ディスプレーサが加熱領域側へ最大振幅振れた時の加熱領域内壁との隙間容積をＶ０、そこからのボイスコイルディスプレーサーの移動によって生じる加熱領域の増加容積をＶＰとすると、各状態での（平均）温度は、式（２）「Ｔaverage＝ＴＨ・（Ｖ０＋ＶＰ）／Ｖ＋ＴＬ・（Ｖ−（Ｖ０＋ＶＰ））／Ｖ）＝（ＴＨ−ＴＬ）（Ｖ０＋Ｖｐ）／Ｖ＋ＴＬ」によって導かれる。
【００３４】
したがって、上記式（２）に状態（１）と状態（４）についてＶｐ(1)およびＶｐ(4)を代入してそれぞれの平均温度を求め、加熱温度ΔＴ(4)(1)を求めると、式（３）「ΔＴ(4)(1)＝Ｔ(1)−Ｔ(4)＝（ＴＨ−ＴＬ）（Ｖｐ(4)−Ｖｐ(1)）／Ｖ」となる。このことより、加熱温度ΔＴ(4)(1)と比例関係にある音波の振幅ΔＳＣに対しては式（４）ΔＳＣ＝Ａ・（ＴＨ−ＴＬ）（Ｖｐ(4)−Ｖｐ(1)）／Ｖとなる。本式から、音声信号電流によって振動するボイスコイル−ディスプレーサの移動（振幅量ΔＳＤ）によって生じる加熱領域容積の振幅（Ｖｐ(4)−Ｖｐ(1)）が増加すれば、スピーカーコーンの振幅ΔＳＣも増加することになり、更にそれとは独立に、加熱側温度ＴＨと冷却側温度ＴＬとの温度差（ＴＨ−ＴＬ）が大きくなれば、その音声信号振動を増幅する形でやはり振幅ΔＳＣが増加することが導かれる。ここで、温度差（ＴＨ−ＴＬ）において、ＴＬは大気温（一定）であるため、温度差（ＴＨ−ＴＬ）を大きくするということは、加熱面温度ＴＨを高くすることを意味し、すなわち加熱面加熱量を大きくすればするほど振幅ΔＳＣが増加することを意味する。
【００３５】
したがって、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、ボイスコイル−ディスプレーサ２８の振幅量（ΔＳＤ）が同じ場合であっても、熱スピーカ装置１０に供給する熱エネルギー量を大きくして、温度差（ＴＨ−ＴＬ）を大きくすれば、振動部１４のストローク量（ΔＳＣ）もこれに応じて大きくなる。つまり、ボイスコイル−ディスプレーサ２８のストローク量（ΔＳＤ）は、許容最大電気出力によって発生しうるローレンツ力によってその限界を規定されるものの、ボイスコイル−ディスプレーサ２８のコイルに流れる単位電流量当たりの振動部１４のストローク量（ΔＳＣ）は、熱スピーカ装置１０に供給する熱エネルギー量を制御することよって自在に増幅することができる。
【００３６】
すなわち、本発明の熱スピーカ装置においては、電力エネルギーは、音声信号の振幅に同期させてボイスコイル−ディスプレーサ２８を振幅駆動するためだけに使用されるため、ボイスコイル−ディスプレーサ２８自体に起因する機械抵抗を限界まで低減することによって、消費電力を最大限に低減することができる。一方、振動板１６は、そのボイスコイル−ディスプレーサ２８の振幅駆動に同期する形で、外部熱源から供給される熱エネルギーのみを使用して振幅駆動するものであるため、消費電力に関係なく、音波を増幅して大音響を生成することができる。
【００３７】
以上、本発明を図１に示す実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者であれば種々の設計変更が可能であろう。以下、本発明の熱スピーカ装置における各構成要素について他の実施形態を例示する。
【００３８】
図７は、本発明の熱スピーカ装置における振動部１４についての代替実施形態を示す。図７（ａ）に示す例においては、図１に示した円柱状の摺動部１８を、振動板１６側に閉塞底面を有し、密閉容器１２の内部側に開口端を有する円筒状の摺動部４０として構成することによって、その軽量化を図り、機械抵抗を低減している。また、本発明のスピーカ装置における振動部１４の構造は、上述したようなシリンダ−ピストン構造に限定されるものでなく、図７（ｂ）に示すように、密閉容器１２と振動板１６とを伸縮自在な蛇腹構造４２によって接続することもできる。すなわち、本発明における振動部１４は、密閉容器１２内の空気の温度変化によって引き起こされる内部圧力の変化を往復運動に変換することのできる機構を備えていれば、どのような構成であってもよい。
【００３９】
図８は、本発明の他の実施形態である熱スピーカ装置５０を示す。熱スピーカ装置５０においては、支持体２６に対して円筒状に形成された第２の永久磁石５２が挿嵌・固定されている。また、熱スピーカ装置５０におけるボイスコイル−ディスプレーサ５４を構成するピストン部材３０には、支持体２６に固定された第２の永久磁石５２を嵌挿するための貫通孔が形成されており、当該貫通孔の内周面には、コイル３２と同様に図示しないパワーアンプ装置等と電気的に接続されるコイル５６が固定されている。熱スピーカ装置５０においては、支持体２６に固定された第２の永久磁石５２が当該貫通孔を貫通する形でピストン部材３０が嵌挿・支持されるため、第２の永久磁石から発生する磁場によってコイル５６に作用するローレンツ力が追加的に作用し、その結果、ボイスコイル−ディスプレーサ５４の駆動力が強化される。なお、本発明においては、永久磁石を設ける態様（形状・位置等）を特に限定するものではなく、ボイスコイル−ディスプレーサをその永久磁石の磁場の影響によるローレンツ力によって作動させることができれば、どのような態様であっても良い。
【００４０】
図９は、本発明の他の実施形態である熱スピーカ装置６０を示す。熱スピーカ装置６０は、図１に示した熱スピーカ装置１０における支持体２６を廃して構成されたものであり、支持体２６を設ける代わりにボイスコイル−ディスプレーサ６２の外周面を密閉容器１２の内壁面に当接して支持させることによって、密閉容器１２内部空間を矢印方向に摺動自在に構成されている。また、ボイスコイル−ディスプレーサ６２には、通気口６４として機能する貫通孔が形成されており、通気口６４を通って内部作動流体（空気）が加熱領域（Ｈ）および冷却領域（Ｃ）の相互間を移動できるように構成されている。
【００４１】
図１０は、本発明の他の実施形態である熱スピーカ装置７０を示す。図１０（ａ）は、熱スピーカ装置７０の側断面図を示し、図１０（ｂ）は、熱スピーカ装置７０の内部を切り欠いて示した斜視図を示す。熱スピーカ装置７０においては、密閉容器１２は、従来型のスピーカにおけるヨークと同様に、鉄などの軟磁性材料から形成されており、密閉容器１２の内部底面１９ａから、円弧状の断面を有する突条として形成された支持体７２,７２が突設されている。さらに、密閉容器１２の周壁の一部は、リング状の永久磁石２２によって構成されており、密閉容器１２の周壁および支持体７２,７２は、永久磁石２２に磁気的に接続されている。これより、本装置７０は支持体７２，７２が磁化することになり、密閉容器１２の内壁面と支持体７２，７２とのギャップ間の磁場を強化することができる。これによってボイスコイル−ディスプレーサとの間に働くローレンツ力がより強力なものとなり、ボイスコイル−ディスプレーサ７４の駆動力を強くすることができる。
【００４２】
密閉容器１２は、さらに、その内部にボイスコイル−ディスプレーサ７４を含んで構成されている。ボイスコイル−ディスプレーサ７４は、円柱状のピストン部材７６にコイル３２が巻かれてなるものであり、コイル３２は、図示しないパワーアンプ装置等に電気的に接続される。また、ピストン部材７６には、支持体７２,７２を嵌挿するための貫通孔が形成されており、支持体７２,７２が当該貫通孔を貫通する形でピストン部材７６が嵌挿されている。その結果、ボイスコイル−ディスプレーサ７４は、支持体７２,７２によって、密閉容器１２内部空間を矢印方向に摺動自在に支持されている。ここで、熱スピーカ装置７０に対して、図示しないパワーアンプから音声信号が入力されると、その音声信号の振幅に対応した大きさの電流がボイスコイル−ディスプレーサ７４のコイル３２に流れ、コイル３２は、磁場から、その電流の大きさに応じたローレンツ力の作用を受ける。
【００４３】
さらに、図１１は、上述した熱スピーカ装置７０の突条として形成される支持体についての代替実施形態を示す。図１１に示す例においては、図１０に示した円弧状の断面を有する突条に代えて、ボイスコイル−ディスプレーサ７４の外周近傍を貫通する複数の円柱状の突条７８を支持体として形成している。すなわち、本実施形態においては、密閉容器１２の底面に突条として形成される支持体は、ボイスコイル−ディスプレーサ７４を摺動自在に支持することができ、且つ、密閉容器１２の内壁面との間に磁場が発生するように、当該内壁面に対して近接して設けられる構造であれば、どのような構成であってもよい。
【実施例】
【００４４】
以下、本発明の熱スピーカ装置について、実施例を用いてより具体的に説明を行なうが、本発明は、後述する実施例に限定されるものではない。本発明の熱スピーカ装置の実現性を確認するために、以下の手順で実証実験を行った。
【００４５】
（実験装置）
図１２は、実験装置８０の概略図を示す。実験装置８０における熱スピーカ装置のモデルは、密閉容器８１と、振動部としてのペローズ８２と、ペローズ８２に固定されるスピーカーコーン８３とを含んで構成されており、密閉容器８１内の圧力変動が密閉容器８１の底面Ｃに接続されたシリコンチューブ８４を介して、ペローズ８２に伝達され、スピーカーコーン８３を振動させるように構成した。
【００４６】
なお、本発明の熱スピーカ装置におけるボイスコイル−ディスプレーサは、上述したように音声信号電流に応じて発生するローレンツ力によって振幅駆動するものであるが、実験装置８０においては、便宜上、ディスプレーサ８５を機械的に駆動させ、これをもってローレンツ力による振幅駆動と見なした。具体的には、電気モーター８６と密閉容器８１内のディスプレーサ８５とをコネクティングロッド８７を介して接続し、電気モーター８６の回転動力を滑車機構およびクランク機構によって往復運動に変換して、ディスプレーサ８５を密閉容器８１内で振幅駆動させた。本実験において、密閉容器８１とペローズ８２とをシリコンチューブ８４を介して接続したのは、電気モーター８６の回転振動やクランクの振動など、音波（ディスプレーサ８５の振動）以外のノイズがスピーカーコーン８３に伝わることを防止するために、シリコンチューブ８４をフィルターとして機能させたものである。尚、実際の熱スピーカ装置においても、本装置のようにチューブおよびパイプ等（圧力伝達管）によってボイスコイル−ディスプレーサ部（密閉容器１２部）と振動部１４を分離して繋ぐことで、これをノイズフィルターとして機能させることができるばかりではなく、密閉容器１２部からスピーカーコーン（振動部１４）を遠隔に設置して振動させることも可能となる。
【００４７】
また、スピーカーコーン８３から発生する音波は、マイクロホン８９によって集音し、図示しないコンピューターによって解析した。解析には、音声スペクトル解析ソフトを用いた。併せて、密閉容器８１の底面Ｃおよび底面Ｈのそれぞれに温度計を固定して、各面の温度変化を観測した。
【００４８】
（実験および実験結果）
上述した実験装置８０を用いて、以下の手順で実験を行なった。具体的には、電気モーター８６の回転数をロータリーエンコーダー８８によって計測し、人間が音として認識しうる音波の振動数（約30Hz）と同じ振動数でディスプレーサ８５が往復運動するように電気モーターの回転数を制御した状態で、密閉容器８１の底面Ｈに水差しで熱湯（約９０℃）をかけて加熱した。
【００４９】
図１３は、音声スペクトル解析ソフトによるスペクトル解析結果を示す図であり、横軸は周波数（Hz）を示し、縦軸は周波数毎の振幅値を示す。密閉容器８１の底面Ｈを加熱していない場合には、図１３（ａ）に示されるように、30Hz付近に顕著な振動は見られなかった。一方、密閉容器８１の底面Ｈに熱湯をかけて加熱した場合には、図１３（ｂ）に示されるように、約30Hzの付近に顕著な音声振動（音波）が現れた。
【００５０】
上記結果が観察された後、約１０秒後に熱湯によって加熱した密閉容器８１の底面Ｈに対し、エアゾールスプレーを吹き付けて急速に冷却したところ、温度の低下に伴って30Hz付近の音声振動が低下することが確認された。上述した実験結果によって、30Hzで振幅駆動するディスプレーサ８５によって移動させられた密閉容器８１内の空気が昇温と下温を30Hzで繰り返し、その温度変化に伴う圧力変動によってスピーカーコーン８３が振動した結果、30Hzの音波が生成されたことが証明された。
【００５１】
図１４は、約30Hzのスペクトル成分について、音波を電圧値に変換したマイクロホンの出力電圧を元にしたデシベル値の時系列データを示した図である。なお、図１４においては、密閉容器８１の底面Ｈ（加熱面）の温度ＴＨと底面Ｃ（冷却面）の温度ＴＬの時系列データを併せて示した。図１４に示されるように、底面Ｈ（加熱面）の温度ＴＨの上下変化に呼応して、30Hzの音波のデシベル値が増減することがわかった。なお、図１４において、温度の上下変化とデシベル値の増減のタイミングに多少のずれが見られるが、これは、底面Ｈ（加熱面）の外周付近に温度計を設置したため、実際の温度変化に遅延して変化が計測されたことに起因するものと推測される。また、加熱開始時に底面Ｈ（加熱面）に設置された温度計の値が約６０℃まで急激に上昇しているにもかかわらず、この変化が音波のデシベル値の増減に呼応して変化していないが、これについても、熱湯に直接接触した温度計が底面Ｈ（加熱面）の平均温度とは関係ない、局所的な温度変化を計測したためであると推測される。
【００５２】
ところで、本実験においてディスプレーサを一定の振幅で振動させることは、前述の式（４）ΔＳＣ＝Ａ・（ＴＨ−ＴＬ）（Ｖｐ(4)−Ｖｐ(1)）／Ｖにおいて、ボイスコイル−ディスプレーサの振動による加熱領域容積の振幅（Ｖｐ(4)−Ｖｐ(1)）を一定にすることを意味し、加熱面に熱湯をかけて加熱したことは温度差（ＴＨ−ＴＬ）を上昇させたことを意味する。したがって、図１３（ａ）の実験結果は、式（４）において温度差（ＴＨ−ＴＬ）＝０であるためスピーカーコーンの振幅ΔＳＣが０となり、音波が生成されなかったことを意味し、図１３（ｂ）の実験結果は加熱面を加熱することで（ＴＨ−ＴＬ）を上昇させたため、その結果として、振幅ΔＳＣのスピーカーコーンの振動が生じ、これが音波となったことを意味する。
【００５３】
したがって、上記実験結果ならびに上記推測事項を総合的に勘案すれば、熱エネルギーを用いた音声信号振動の増幅が本実験によって達成されたものと評価することができる。また、本実験による音波発生周波数は約３０Ｈｚであったが、外燃機関として実在するスターリングエンジンの中には１００ｒｐｓ［Ｈｚ］程度で回転するものもある。このことから、本発明による熱スピーカも少なくとも１００Ｈｚ程度までの周波数の音を発生させることは可能であると考えられる。実際のスピーカとして、重低音発生を専門とするスーパーウーハースピーカは主として約２０〜１００Ｈｚまでのレンジで利用されていることから、本実験によって、本発明による熱スピーカを少なくともスーパーウーハースピーカの代用として機能させることについては概ね証明できたと言える。
【００５４】
以上、本発明を、実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が推考しうるその他の実施態様の範囲内において、上述した作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上、説明したように、本発明によれば、従来型のスピーカが構造的に抱える限界出力を超えて音声信号振動を増幅することのできる新規なスピーカ装置が提供される。本発明の熱スピーカ装置は、例えば、野外コンサート会場において、太陽光集熱装置等の熱源と組みわせて使用することにより、少ない電力で大音響を実現するなど、種々の応用展開が期待される。
【符号の説明】
【００５６】
１０…熱スピーカ装置、１２…密閉容器、１４…振動部、１６…振動板、１８…摺動部、１９…底部、２０…首部、２２…永久磁石、２４…断熱材、２６…支持体、２８…ボイスコイル−ディスプレーサ、３０…ピストン部材、３２…コイル、３４…伝熱インターフェース部、４０…摺動部、４２…蛇腹構造、５０…熱スピーカ装置、５２…第２の永久磁石、５４…ボイスコイル−ディスプレーサ、５６…コイル、６０…熱スピーカ装置、６２…ボイスコイル−ディスプレーサ、６４…通気口、７０…熱スピーカ装置、７２…支持体、７４…ボイスコイル−ディスプレーサ、７６…ピストン部材、７８…突条、８０…実験装置、８１…密閉容器、８２…ペローズ、８３…スピーカーコーン、８４…シリコンチューブ、８５…ディスプレーサ、８６…電気モーター、８７…コネクティングロッド、８８…ロータリーエンコーダー、８９…マイクロホン、１００…外磁型ダイナミックスピーカ、１０２…振動板、１０４…ボイスコイル、１０６…リング型永久磁石、１０８…ヨーク、１１０…ダンパ、１１２…エッジ、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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