(57)【要約】【課題】小形スピーカの；低音再生能力に関して、設計の自由度が極めて窮屈。最大許容入力で低音再生時の非線形歪みが大きい。応用される商品への、低音再生時の機械的振動の影響が大きい。【解決手段】エンクロージャに設けた低音共振用の膜とエンクロージャの構造の関係を、低音共振周波数付近のボイスコイルの振動振幅が、共振膜がない場合に比べ著しく小さくなるよう、共振条件を決定することで、ドライバユニットの低音再生域が著しく広がる。２個の低音共振用の膜を対向構造とすることでエンクロージャ全体の振動を軽減する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンクロージャに、１個または複数個の｛低音周波数域で共振させるための共振膜｝が取り付けられていることを第１の特徴とし、
｛上記共振膜の低音共振周波数付近におけるドライバユニットのボイスコイルの振動振幅｝が、共振膜がない場合に比べ小さくなるよう、｛上記共振膜の構造と質量が決定されている｝ことを第２の特徴とし、
｛上記第２の特徴による機械振動的特性｝に起因して｛共振膜の低音共振周波数｝付近における｛ドライバユニットのボイスコイルの電気インピーダンス｝が、共振膜がない場合に比べ小さくなるよう、｛共振膜の｛構造と質量｝｝と｛エンクロージャの｛構造と内容積｝｝が決定されていることを第３の特徴とし、
｛上記第１の特徴｝と｛上記第２または第３の特徴｝を有するスピーカシステム。
【請求項２】
２個の共振膜双方の｛低音再生時の振動の反作用｝を打ち消し合うべく、相互に対向するよう配置することを第４の特徴とし、
｛請求項１の｛第１の特徴｝と｛第２または第３の特徴｝｝と｛上記第４の特徴｝を有するスピーカシステム。
【請求項３】
｛２個の共振膜を面対称に不平行に配置することで、｛２個の共振膜の振動｝により｛対称軸方向に生じる低音再生時の合成反作用｝｝と｛ドライバユニットのボイスコイルの振動による反作用｝を相互に対向させるよう配置することを第５の特徴とし、
｛請求項１の｛第１の特徴｝と｛第２または第３の特徴｝｝と｛上記第５の特徴｝を有するスピーカシステム。
【発明の詳細な説明】
【用語の定義】
【００１】請求項を含む全文を通じ、文中の｛｝内の記述は｛｝外の記述に優先する。
【技術分野】
【００２】第１に、小型スピーカシステムや小形音響商品の低音再生能力の改善技術。
第２に、小型スピーカの低音再生能力を上げようとするとき、ボイスコイルとダンパとエッジの振動範囲を大きくする必要があるが、この場合、｛磁気回路の磁束密度を確保する幅｝や｛ダンパやエッジの動作範囲｝を広げることに起因するコストアップの回避の改善技術。
第３に、小型スピーカの低音再生能力を上げようとするとき、低音再生時のスピーカの振動が、｛スピーカが使われている商品の構造物を振動させることで発生するビビリ音｝や｛液晶テレビの液晶パネルの振動により発生する画像への悪影響｝や｛上記問題の対策に起因して発生する、商品の総重量の増大｝などの問題回避の改善技術。
第４に、商品の総重量の軽量化による、資材コストや輸送コストの改善技術。
【背景技術】
【００３】スピーカ構造と振動解析
エンクロージャ構造と音響解析
音響振動系の共振モードと各部の振動モードの解析
スピーカの共振点の振動モードとボイスコイルインピーダンス【００４】小形スピーカの低音再生能力改善の背景技術としては、
第１に｛ドライバの振動振幅の線形範囲を広げる｝
第２に｛エンクロージャを低音共振させる構造とし低音再生範囲を広げる｝
第３に｛電子回路の特性を利用して低音再生範囲を広げる｝
などがある。いずれの方法も決定的ではなく｛コスト、重量、歪み｝など、｛相矛盾する要因｝に阻まれて、決定的な改善策がないのが現状である。【００５】一方、｛低音再生能力に優れたドライバユニット｝を用いることで、音響再生性能を改善したととしても、｛そのドライバユニットを組み込んだ商品｝の｛構造物の振動｝による多様な問題が発生し、その対策にコストがかかる。商品設計の工程では、｛相矛盾する関係にある要因群｝について、｛主観的な方法｝での｛妥協点を探らなければならない業務｝が日常的に発生している。
特に｛近年の液晶テレビの設計行程｝では｛薄型化と資材のコストアップを回避｝する必要から、｛プラスティックやシャーシ｝の肉厚を薄する傾向が顕著である。
その結果、音響再生性能を犠牲にせざるを得なくなっているのが現状である。
さらに、その結果、｛音響再生性能を良くしたい｝という｛反動的ニーズ｝は、｛市場においても、設計業務においても｝強くなっていることも事実である。
【発明が解決しようとしている課題】
【００６】第１に、低音再生性能の設計自由度が極めて広く、強力な低音再生能力を持つ｛小形かつ軽量かつ安価｝であるスピーカシステム。
第２に、超低音再生時、｛ボイスコイルの振動振幅が小さくなる｝低音再生能力に優れたスピーカシステム。結果的にボイスコイルと磁気ギャップとエッジとダンパの構造の小サイズ化を可能とする。
超第３に、低音再生時、｛ボイスコイルのインピーダンスが小さくなる｝低音再生能力に優れたスピーカシステム。結果的に駆動電流が増えて駆動トルクが増える。
第４に、エンクロージャの振動が小さく、｛応用商品の構造物の振動への影響｝が極めて小さいスピーカシステム。
【課題を解決するための手段】
【００７】｛エンクロージャに設けた２個の低音共振用の共振膜｝が、｛｛その膜の質量｝と｛エンクロージャの内容積｝と｛ドライバユニットの特性｝｝を主要因として決まるところの周波数で共振点を持つ｝ことを利用する。共振膜の振動モードには、ドライバユニットのボイスコイルの電気インピーダンスを｛上げるモードと下げるモード｝の二種類がある。
【００８】通常、スピーカシステムの低音音質改善策では、｛振動系負荷との共振作用｝によって、｛ボイスコイルの振動振幅が大きくなるよう設計｝するが、この場合、共振点でのボイスコイルの電気インピーダンスは大きくなる。本案発明では、共振モードにおいて｛ボイスコイルの振動振幅｝が逆に小さくなるよう設計する。この手法はボイスコイルから見た駆動系の負荷が大きくなることによってボイスコイルの振動が小さくなる性質を利用するものである。結果として、この共振モードではボイスコイルの電気インピーダンスが低下する。通常、スピーカは｛低い出力インピーダンス｝のアンプによりドライブされるので、インピーダンスが下がると電流が増えて、その結果、ボイスコイルの駆動力は上昇する。
この２個の低音共振用の共振膜を対向構造とすることで｛低音域におけるエンクロージャ全体の振動｝を著しく軽減し、かつ、共振周波数付近で｛ドライバユニットの電気インピーダンス｝が｛共振膜がない場合に比べ著しく小さくなる｝よう｛エンクロージャと共振膜とドライバユニット｝の配置と構造を決定する。
【００９】［図１］は本案発明の一実施例を示す図である。
共振膜が一つの場合の最も簡単な一実施例を示す。
このような構成のスピーカは古くからパッシブラジエータ構造とも呼ばれ、公知となっているが、以下本案発明の従来の方法とは異なる点について説明する。
１はドライバユニット
１ａは低音再生時のボイスコイルの振動振幅を示す。
２は共振膜
２ａは共振膜の振動振幅
４はエンクロージャ
５はエンクロージャの機械的振動振幅の拡大図
を示す。
【０１０】｛パッシブラジエータ型、あるいはバスレフレックス型｝と称される低音強調用の構造を持つスピーカシステムにおいては、強調しようとする周波数付近でボイスコイルの振動振幅が大きくなり、その結果、ボイスコイルの電気インピーダンスが大きくなる。
例えば８オームのスピーカで２０オームくらいになるものも少なくない。
インピーダンスの増大は｛共振動作の二次的なもの｝で問題はない。しかし、｛増大するボイスコイルの振動振幅｝については、それを見込んで、｛ドライバそのものの振幅範囲｝を大きく取らなければならない。でなければ｛歪みの大きい音｝や｛スピーカの構成部品どうしがぶつかる音｝が発生し、小さい音量では低音を出せるものの、大きな音量域では、限界振動振幅がそのスピーカの低音再生能力の限界を決定する。
【０１１】このような制約条件下では、総合的に見て、設計の自由度は狭く、常に、妥協点を探らなければならない問題が共存する。本案発明は「低音共振周波数付近のボイスコイルの振動振幅」が、｛共振膜がない場合｝に比べ極度に小さくなるように｛共振膜とエンクロージャ｝を設計したスピーカシステムに関する。形状や部品そのものは従来と似たものであるが、各部品の諸元を適切に設計することにより、実際の動作において、従来の問題を決定的に解決することができるものである。
【０１２】目的の共振周波数は
｛５０．２の定数に、共振膜の面積を乗じた値｝を
｛｛共振膜の質量にエンクロージャの内容積を乗じた値｝の平方根｝で除した値を基準にして設計する。上記設計計算式には｛計算が難しい要因を含まない｝ので、最終的には｛エンクロージャの容積｝や｛共振膜の質量｝などを修正することで、目的の周波数に合わせ込む。元々、設計自由度が著しく広くなっているので、修正による副産物問題に気配りの必要もなく、単純な修正作業により目標値に合わせることができる。
そして、ボイスコイルの振動振幅が共振膜の振動振幅に比べその比率を著しく小さくすることができる。実験的にではあるが、上記比率を１／６とした状態で、全帯域で適切な音質設定がされた実例を確認している。
【０１３】共振点における共振膜の振幅、即ち低音再生能力はエンクロージャ内部の吸音係数によって決めることができる。計算が複雑で計算式に表現することが難しいが、実際の設計工程では｛ドライバユニット吸音材の量｝と｛その吸音材を設けている場所の構造｝とから、おおよその値が決定される。｛原因と結果｝を把握しやすい方法としては、エンクロージャ内部の｛｛ドライバユニット側と共振膜の側｝との通路の寸法｝と｛その通路に挿入する吸音材の量｝で決定する方法がある。｛上記通路の断面積が小さくなれば｝また｛上記通路の長さが長くなれば｝また｛吸音材の量が増えれば｝共振膜の振幅は小さくなる。
【０１４】共振膜の上記の共振点においては、｛ボイスコイルの電気インピーダンス｝は共振膜がない状態に比べ小さくなっている。このことは、ボイスコイルに流れる電流が増加し、結果、ボイスコイルの駆動力が増していることになる。ボイスコイルの振動振幅が小さくて済むことは、｛ボイスコイルと磁気回路の関係する諸元｝をより設計しやすく、また｛ダンパやエッジ｝の線形範囲をより小さく設計できる。
【０１５】例えば、ｆｏが１５０Ｈｚくらいの小形ドライバユニットを用いても、共振膜の共振周波数を４０Ｈｚに設計することは極めて容易である。もちろん、ボイスコイルの振動振幅が小さくなっているので｛歪みの問題、特に、強い低音再生時のドライバユニットの非線形特性による混変調歪み｝は極めて小さくなり、バスレフレックス構造では到底設計できない要求仕様を満足する。
【０１６】［図２］は本案発明の一実施例を示す図である。
低音再生時の機械的振動を押さえる目的で共振膜を対向させた一実施例を示す。
図２の、図１と同番号は同機能を示す。
３は２個目の共振膜
３ａは２個目の共振膜の低音再生時の振動振幅
図２の図１と異なる点は、２個の共振膜が対向していることで、｛双方の共振膜の共振による反作用｝を相殺させていることである。双方の共振膜の反作用どうしを相殺することでエンクロージャの機械振動を著しく軽減する。
低音域で｛ボイスコイルの振動振幅｝が小さくなるよう｛共振膜とエンクロージャ｝の諸元を決定できるのは図１と同じである。
【０１７】｛ドライバユニット２の振動２ａの反作用｝と｛ドライバユニット３の振動３ａの反作用｝は双方のドライバユニットを面対称に配置することで、絶対値が同じで方向が反対になり相殺され、図ではエンクロージャの横方向の振動は発生せず、ドライバユニットの振動１ａによる図では縦方向の反作用による振動だけが残る。
ボイスコイルの振動振幅が低音域で著しく小さくなっていることから、振動１ａの反作用も小さくなる。
【０１８】［図３］は本発明の一実施例を示す図である。
図３の、図２と同番号は図２と同機能である。
共振膜を平行に対向させることで、低音再生による双方の共振膜の反作用を相互に打ち消す構造の一実施例を示す。
図２の図１と異なる点は、２個共振膜が対向していることで、｛双方の共振膜の共振による反作用｝を相殺させていることである。双方の共振膜の反作用どうしを相殺することでエンクロージャの機械振動を著しく軽減する。
低音域で｛ボイスコイルの振動振幅｝が小さくなるよう｛共振膜とエンクロージャ｝の諸元を決定できるのは図１と同じである。
【０１９】｛ドライバユニット２の振動２ａの反作用｝と｛ドライバユニット３の振動３ａの反作用｝は双方のドライバユニットを面対称に配置することで、絶対値が同じで方向が反対になり相殺され、ドライバユニットの振動１ａによる横方向の反作用による振動が残る。
ボイスコイルの振動振幅が低音域で著しく小さくなっていることから、振動１ａの反作用も小さくなる。
【０２０】［図４］は図３の一実施例を耳に挿入した状態を示す図である。
図４の図２と同じ番号は同じ機能である。
｛共振膜を対向させる｝かつ｛対向する共振膜を不平行とする｝ことで、低音再生時の｛｛双方の共振膜の反作用｝が相互に打ち消しあう、かつ、｛共振膜の不平行としたことによる反作用成分とドライバユニットの反作用｝が相互に打ち消しあう｝構造とした一実施例を示す。
【０２１】低音域でボイスコイルの振動振幅が小さくなるよう｛共振膜とエンクロージャ｝の諸元を決定できるのは図１と同じである。
｛ドライバユニット２の振動２ａの反作用｝と｛ドライバユニット３の振動３ａの反作用｝は双方のドライバユニットを対象構造とすることで絶対値が同じで方向が反対になり相殺され、エンクロージャのレベルでは双方は相殺され、図では横方向の振動は発生しない。｛ドライバユニットの振動１ａによる反作用｝は｛２個の共振膜がドライバユニットの垂直軸からの傾斜による垂直方向の反作用成分｝と相殺されエンクロージャ全体では機械振動成分は残差成分５だけになる。エンクロージャの大きな振動はほとんどなくなり、組み込まれている商品への機械振動の影響は極めて小さくなる。
図４では｛共振膜の面｝は図中、｛上方向に開き気味｝であるが、一般的には｛下方向に開きぎみ｝となるケースもある。
【０２２】［図５］振幅特性とインピーダンス特性の説明図
低音域における振幅特性とインピーダンス特性は本案発明において重要である。
１の横軸Ｆは周波数で矢印方向に、高い
２の上縦軸Ａは振動振幅で矢印方向に、大きい
３の下縦軸Ｚはボイスコイルのインピーダンスで矢印方向に、絶対値が大きい
４はパッシブラジエータ型またはバスレフレックス型のボイスコイルの振動振幅
５は本案発明により共振膜が適切に設計された場合のボイスコイルの振動振幅
６は本案発明により共振膜が適切に設計された場合の共振膜の振動振幅
４ａはパッシブラジエータ型またはバスレフレックス型のボイスコイルの電気インピーダンス
【０２３】パッシブラジエータ型またはバスレフレックス型の振幅特性は低音の共振点において大きなピークを持つ。このピーク付近では最大パワでドライブすると、飽和による非線形歪みが大きくなる傾向が顕著である。特に小形スピーカの限界を無視し、低音を出そうとすると、非線形歪みが顕著になり、結局、特性に妥協点を見いださなければならなくなる。
５ａは共振膜を適切に設計した場合のボイスコイルのインピーダンス。
ボイスコイルのインピーダンスが低くなり電流も大きくなり駆動力が大きくなることから、｛共振膜の振動との相互関係が良好になり｝、｛線形の範囲が大幅に広がり｝、｛スピーカシステム全体で強力な超低音を再生する状態で｝歪み無く、最大パワでドライブすることができる。
【０２４】［図６］音圧特性と歪み特性の説明図
低音域における本案発明の音圧特性と歪み特性は重要である。
１の横軸Ｆは周波数で、矢印方向に高い
２の縦軸Ｇは音圧で、矢印方向に強い
３の縦軸Ｄは歪みで、矢印方向に大きい
４ｇはドライバユニットの周波数−音圧特性の一例
７ｇはパッシブラジエータ型またはバスレフレックス型のスピーカシステムの周波数−音圧特性の一例
８ｇは本案発明により共振膜が適切に設計された場合のスピーカシステムの音圧特性の一例
４ｄはドライバユニットの周波数−歪み特性
７ｄはパッシブラジエータ型またはバスレフレックス型の周波数−歪み特性
８ｄはが本案発明により共振膜が適切に設計された場合の周波数−歪み特性
【０２５】［図６］実際の試作品の音圧特性を示す。
横軸は周波数、縦軸は検出マイクロホンの出力電圧である。
全体の特性はフィルターを使って補正したものであるが、スピーカの許容パワの最大で測定したものである。特性は超低域まで伸びていることを示している。
この試作品は５ｃｍの口径の低音域での効果について実験したもので、高音域については除外している。
【発明の効果】
【０２６】｛低音再生性能が極めて優れた小形スピーカ｝の設計の自由度を大幅に広げる。
設計の自由度とは、
第１に、低音再生周波数範囲がドライバユニットの性能に頼らなくて済む。
第２に、スピーカのドライバユニットに要求される低音再生のダイナミックレンジを大幅に小さくできる。
第３に、上記、第１と第２の理由と関連して、ドライバユニットの軽量化低コスト化が可能。
第４に、小形高性能故に、｛形状選択や応用｝の範囲が広い。
第５に、上記第３と第４の効果と関連して、総合的に簡素軽量で安価な素材で足りる。
第６に、機械的振動が小さく、組み込まれた構造物や商品に与える振動の影響が小さく、組み込む商品の｛企画や設計｝の自由度を大幅に広げる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０２７】優れた低音再生能力を応用したスピーカシステム。
｛機械振動の影響が極めて不都合である｝音響商品のスピーカシステム。
【実施例】
【０２８】第１に、小形で低音再生能力に優れ低価格の一般のスピーカシステムへの応用。
第２に、薄型で軽量が要求されるにもかかわらず、高額商品故に、高性能音響再生性能も要求さる、画面の振動に極めて弱い液晶テレビ用のスピーカシステム。
第３に、強力な低音再生性能が要求されるにもかかわらず、｛小型化｝、｛厳しいコスト要求｝、｛窓ガラスやドア内部の構造物の振動によるビビリ音の回避｝などの問題があって、低音再生性能に妥協点を探らざるを得ない乗用車のスピーカシステム。
【産業上の利用可能性】
【０２９】第１に、｛小形のＡＶ商品や振動に弱いＡＶ商品のスピーカシステム｝の音響設計工程の短縮。
第２に、｛小形のＡＶ商品や振動に弱いＡＶ商品のスピーカシステム｝の品質と性能の向上。
【図面の簡単な説明】
【０３０】
【図１】一実施例の説明図
【図２】一実施例の説明図
【図３】一実施例の説明図
【図４】一実施例の説明図
【図５】振幅特性とインピーダンス特性の説明図
【図６】音圧特性と歪み特性の説明図
【図７】試作品の音圧特性図
【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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