(57)【要約】 【課題】高効率、高性能、広いデザイン自由度  の実用性の高い平面スピーカーの構造。【解決手段】複数の四角形状のボイスコイルを格子状に配列する。隣りあうボイスコイルの辺どうしを重ね合わす。ボイスコイルの内側に収まる四角形状の磁極を配置する。隣りあう磁極が逆極性となるよう、それぞれの磁極に永久磁石を配置する。隣りあうボイスコイルの電流極性を互いに逆極性とし、全てのボイスコイルに同一方向の駆動力を発生させる。ボイスコイルと磁気回路の数を、必要に応じて、面方向に増やす、あるいは、複数階層とする、ことで、多様なサイズと性能の要求に対応する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
四角形筒状のボイスコイルをボイスコイルとし、
複数のボイスコイルの四角形の辺どうしが隣り合わせに重なるようボイスコイルを振動板上に格子状に配置することを第1の特徴とし、
ボイスコイルが振動板に配置されている状態で、ボイスコイルの振動板側から見た状態を上面とし、
全てのボイスコイルに同一電流を流した場合、
上面から見て、電流の方向が反時計回りを左回りとし、その逆方向を右回りとし、
上面から見て、電流の方向が左回りであるグループを｛左巻きボイスコイル｝とし、
上面から見て、電流の方向が右回りであるグループを｛右巻きボイスコイル｝とし、
ボイスコイルを振動板に配置した状態で、全ての左巻ボイスコイルの隣のボイスコイルが全て右巻きボイスコイルであって、全ての右巻きボイスコイルの隣のボイスコイルは全て左巻ボイスコイルであることを第２の特徴とし、
隣りあうボイスコイルの一辺どうしが密着されていることを第３の特徴とし、
第２の特徴の結果ではあるが、｛密着された双方のボイスコイルに流れる電流｝の方向が同じ向きであることを第４の特徴とし、
全てのボイスコイルが組み合わさったものを組みボイスコイルとし、
上記第1と第2と第３と第４の特徴を有する組みボイスコイルまたは振動板に装着された組みボイスコイル。
【請求項２】
請求項１に定義の一個のボイスコイルの内側の四角形筒状の空間に収める四角形状の磁性材料を磁極とし、
組みボイスコイルを構成するそれぞれのボイスコイルに磁極が収まるよう磁極が配列されていることを第５の特徴とし、
隣りあうボイスコイルの一辺どうしが密着した辺を密着辺とし、
全ての密着辺が双方の磁極間の磁気ギャップに収まる構造であることを第６の特徴とし、
隣りあう磁極が逆極性となるようそれぞれの磁極に｛柱状または平板状｝の永久磁石を配置することを第７の特徴とし、
上記、永久磁石を永久磁石とし、
｛永久磁石と磁極を組み合わせたもの｝を｛各ボイスコイルに対応させ配列し配置するための板状の磁性材料｝を平面磁路とし、
永久磁石が平面磁路に密着していることを第８の特徴とし、
それぞれの磁極が、それぞれの永久磁石と平面磁路を介して磁気的に結合された構造体を｛組み磁気回路｝とし、
隣りあう磁極間の磁気ギャップに、請求項１の組みボイスコイルの全ての辺が挿入され、｛磁化された磁極による磁極間の磁束の方向｝と｛ボイスコイルに流れる電流の方向｝が垂直に交差するよう、｛組み磁気回路｝の磁極が配列されていることを第９の特徴とし、
上記第５と第６と第７と第８と第９の特徴を有するスピーカー。
【請求項３】
請求項２に定義する永久磁石を第1永久磁石とし、
｛請求項２に定義する磁極の、第１永久磁石の面と反対側の面｝に第２永久磁石を配置することを第１０の特徴とし、
第１永久磁石と第２永久磁石の双方の極性は磁極側で同一極性であるものとし、
第１０の特徴を有するスピーカー
【請求項４】
請求項２に定義する磁極を第１磁極とし、
｛請求項３に定義する第２永久磁石の、第１磁極と反対側の面｝の側に第２磁極を配置したことを第１１の特徴とし、
請求項１に定義する組みボイスコイルを第１組みボイスコイルとし、
第１組みボイスコイルに加えて、隣りあう第２磁極間の磁気ギャップに、｛第1組ボイスコイルと同構造の第２組みボイスコイル｝を配置したことを第１２の特徴とし、
第１組ボイスコイルと第２組ボイスコイルを構成する同一軸上の一対のボイスコイルは同一ボビンに構成されているとし、
第１組ボイスコイルと第２組ボイスコイルを構成する全てのボイスコイルに発生する力は、同一電流により同じ方向であるよう電流極性が決定されているとし、
第１１と第１２の特徴を有するスピーカー。
【請求項５】
請求項４の第2磁極の｛第２永久磁石の反対側の面｝に第３永久磁石を配置したことを第１３の特徴とし、
第３永久磁石の第２磁極側の極性は第2永久磁石の極性と同じであるとし、
第１３の特徴を有するスピーカー。
【請求項６】
請求項４と請求項５に定義するところの、｛第１と第２｝の｛永久磁石と磁極と組みボイスコイル｝からなる二つの駆動力を生む構造を2階構造とし、
２階構造を、さらに３階構造、４階構造と、任意の階層構造としたことを第１４の特徴とし、
第１４の特徴を有するスピーカー
【請求項７】
請求項２と請求項３と請求項４と請求項５と請求項６に定義するスピーカーを有することを第１５の特徴とする、｛音響再生装置｝と、その音響再生装置を有する｛車、テレビジョンセット、ラジオセット、通話装置、モバイルプレーヤ｝
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
請求項を含む全文を通じ、｛｝内の内容は｛｝外の内容に優先して意味を持つものとする。
請求項で定義した用語は明細書でも同様とする。
【０００２】
本案発明は｛理想的な平面スピーカー、そのボイスコイル、その磁気回路｝に関する。
【背景技術】
【０００３】
高効率の平面スピーカーで重要なのは｛駆動力の確保｝と｛振動板の剛性の確保｝である。
平面という条件下での駆動力の確保は容易ではない。また、駆動力が確保できたとしても、高性能という条件下で、広い平面の軽くて高い剛性の振動板は｛素材の選択や形状設計｝の点で難しい課題が多い。
平面スピーカーの磁気回路の設計は、強い駆動力を必要とする場合、高い磁束密度が必要なことから、永久磁石の性能もさることながら、磁路の材料の厚みを必要とし、厚みと性能は常にトレードオフの関係にある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本案発明は、駆動力が平面上に分布するスピーカーの構造に関する。電磁力を利用したスピーカーは｛磁気回路とボイスコイルとそれらを支える構造部品｝から構成される。スピーカーの性能は与えられたコスト制限の範囲内で、用いる資源を最大限有効利用するよう設計される。高性能化を図る際、一つの要因だけに着目しても、他の要因による制約を考慮する必要があって、全体性能を一気に上げる特効的な解決策がなかった。本案発明は、｛ボイスコイルの構造｝と｛磁気回路の構造｝双方の新たな手法を組み合わせることによって、電気音響変換器としてのスピーカーの｛外形寸法設計自由度、変換効率｝を飛躍的に向上させるものである。
【０００５】
｛薄型化、高効率化｝の要望は、次の第１と第２と第3の具体的な技術的課題として表現することができる。
第１の課題は、高性能の面駆動。
｛平面状に均一な駆動力が分布した面駆動であること｝と｛高い線形性の駆動範囲を持つこと｝とを両立させる。
【０００６】
第２の課題は、高効率の面駆動。
｛全周波数範囲で強い駆動力を持つこと｝と｛ボイスコイルのインダクタンス成分を増大させないこと｝を両立させる。
【０００７】
第３の課題は、平面状の振動板の曲げ強度。
音響放射板の、｛強い駆動力に耐える曲げ強度を持つこと｝と｛高い周波数領域での変換効率を落とさないために軽量であること｝を両立させる。
【０００８】
以上の、第１と第２と第３の課題は常にトレードオフの関係にある複数の要因を包含して解決しなければならない。そのためには、トレードオフ条件の限界範囲を広げるべく、基本的課題が解決される必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第1の課題に対し、
多数の四角形筒状のボイスコイルを格子状に配置した組みボイスコイルを使う。
隣りあうボイスコイルに流れる電流極性が互いに逆となるよう、ボイスコイルの｛巻方向と配線｝を構成する。各々のボイスコイルには、磁極を設け、相隣りあう磁極が逆極性となるよう、磁気回路を構成する。
【００１０】
第２の課題に対し、
小さい磁石を分布させることで、一個一個の駆動力は小さいものの、一個一個の磁気回路の磁気ギャップの磁束密度を効率よく高密度にし、ヨークは一枚の薄い平面磁路を使う。隣あうボイスコイルの電流極性が逆とすることによって、ボイスコイル間の相互インダクタンス成分を相殺する。
【００１１】
第３の課題に対し、
多数の四角形筒状のボイスコイル格子状に、密着配列した、組みボイスコイルは、平面スピーカーの大きな弱点である振動板の曲げ強度を補強する。
【発明の効果】
【００１２】
以下の第１から第９の効果がある。
第１に、平面状に駆動力が分布した面駆動。
隣りあうコイルの電流極性と、隣りあう磁極が逆極性であることから、コイルに流す電流により発生する力は、すべてのコイルユニットにおいて同じ方向となる。単位面積あたりのコイルユニットの個数を増やすことで、実用上理想的なレベルにまで駆動力を平面状に分布させることができる。面積や面の形状については再生特性を犠牲にすることなく自在に設計できる。振動板の放射面積を大きくし、振動のストロークを小さくできるので、薄形に適した手法である。さらに、磁性部品が小さいことから、磁気ギャップの磁束密度を高く設計しても、局部的に磁束が小さいことから、再生性能を犠牲にすることなく、無用な磁気回路材料が削減され、薄型構造に適している。
【００１３】
第２に、全平面にわたり、｛コイルの分布｝と｛コイルと交差するところの｛強い磁束密度の領域の分布｝｝を高密度にすることで、強い駆動力を得ることができる。
さらに、隣りあう磁極に対応するコイルの電流極性が互いに逆であることから、｛隣りあうコイルユニット間の相互インダクタンス成分｝が相殺され、高い周波領域の変換効率が高い。
【００１４】
第３に、同一面積内でのコイルの長さを、組み磁気回路の周囲の長さより大幅に長くすることができることから、ボイスコイルの並列接続と直列接続を組み合わせることで要求仕様に見合ったコイル設計の自由度が高く、選択範囲が広い。
【００１５】
第４に、ボイスコイルのサイズを小さくし、数を増やし密度を高くすることで、同一面積内でのコイル長を大幅に長くとることができ、電気から音響へのエネルギー変換効率を大幅に改善する。
【００１６】
第５に、ボイスコイルを面状に分散させるので、コイルの銅損による発生熱が分散し、その結果、｛局部的な温度上昇による入力電力限界範囲｝を広げる。
【００１７】
第６に、駆動力を面分布させることができることから、基本設計を変更することなく、音響放射面の形状の選択範囲を大幅に広げる。
【００１８】
第７に、面分布状に駆動力を分散できることから、振動板の面積が広くても振動板の曲げ強度を高くする必要がない。従って、同じ音圧を得る場合、振動面積を増やし、振動振幅が小さくても済むよう設計できる。このことは低音再生能力の設計自由度を大幅に改善する。
【００１９】
第８に、単位磁極あたりの総磁束を小さくできることから、平面磁路を薄形に設計できる。面積を広くとることで振動振幅を小さくできる効果と相まって、薄形の外観デザインの自由度を高める。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本案発明の基本構造の一実施例の説明図（ａ）Ｃ−Ｃ‘  断面（ｂ）Ａ−Ａ‘  断面（ｃ）Ｂ−Ｂ‘  断面
【図２】図1円内部の磁束分布と電流方向の説明図      （ａ）図1の円７１部の拡大図      （ｂ）図1の円７２部の拡大図
【図３】図１の基本構造に加えて第2永久磁石を設けた本案発明の一実施例の説明図
【図４】図１の基本構造に加えて磁気回路と組ボイスコイルを2階構造とした、本案発明の一実施例の説明図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
第１に
｛図１（ａ）に示すように、１６個の四角形筒状のボイスコイルを格子状に組む。
一方、１６個の四角形状の磁極を配置し、磁極間の空隙に格子状のボイスコイルを収める。全ての磁極の隣りあう磁極が互いに逆極性となるよう、永久磁石を配置し、磁極と永久磁石を平面磁路上に配置する。平面磁路の四隅を折り曲げて、外側の磁極の外側の辺との間に磁気ギャップを設ける。全てのボイスコイルの隣りあうボイスコイルは互いに逆極性となるよう、巻方向または配線を決める。即ち、全てのＮ磁極を取りまくボイスコイルの電流方向が左回転（右回転）のとき、全てのＳ磁極を取りまくボイスコイルの電流方向は右回転（左回転）である。
隣りあう磁極の極性とボイスコイルに流れる電流の極性の双方が逆であることから、全てのボイスコイルに発生する駆動力は同一方向となる。
【００２２】
図１は16個の｛ボイスコイルと磁極と永久磁石｝からなるが、一般的には、用途や性能によって任意の数で構成する。
【００２３】
第２に、図１の磁極の上に永久磁石を設け、磁気ギャップの磁束密度を上げ、さらなる駆動力を得る。
【００２４】
第3に、図１の磁極の上に図１と同様の永久磁石と磁極とボイスコイルを設け、さらなる駆動力を得る。
【００２５】
スピーカーの構造の一部である｛エッジ、ダンパー、ボビン｝については、一般のスピーカーと同様であるので、説明を省略する。
【実施例】
【００２６】
以下、図面を用いた詳細説明。
図１は本案発明の基本構造を説明する一実施例である。
Ｘ１からＸ４は、図面の説明上の横軸の位置、Ｙ１からＹ４は図面の説明上の縦軸の位置を示す。例えば、２１１の磁極の中心座標は｛Ｘ１、Ｙ１｝、
２４２の磁極の中心座標は｛Ｘ４、Ｙ２｝である。
図１は、磁極が、｛縦４行、横４列｝の
｛１６個のボイスコイル、１６個の磁極、１６個の永久磁石、1個の平面ヨーク、1個の振動板｝からなる平面スピーカーの構造である。
【００２７】
図１（ａ）は図１（ｂ）のＣ−Ｃ‘断面を示す。
図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ‘断面を示す。
図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ‘断面を示す。
【００２８】
１１１、１２１、１４１、１４２は、それぞれ座標｛ｘ１，ｙ１｝、｛ｘ２、Y１｝、｛Ｘ４、Y１｝、｛Ｘ４、Ｙ２｝に位置するボイスコイル、
各コイルユニットの４辺に示す｛太い線と太い矢印｝は、その磁気ギャップのボイスコイルの電流極性を示す。
２１１、２２１、２３１、２４１、２４２、２４３は、それぞれ
座標｛ｘ１，ｙ１｝、｛ｘ２、Y１｝、｛Ｘ３、Ｙ１｝、｛Ｘ４、Y１｝、｛Ｘ４、Ｙ２｝、｛Ｘ４、Ｙ３｝に位置する磁極、
３１１、３２１、３４１、３４２、３４３は、それぞれ
座標｛ｘ１，ｙ１｝、｛ｘ２、Y１｝、｛Ｘ４、Y１｝、｛Ｘ４、Ｙ２｝、｛Ｘ４、Ｙ３｝に位置する永久磁石、
４は平面磁路、
５１１、５１２、５１３、５１５はボイスコイルのボビンのＡ−Ａ‘断面、
５２１、５２２、５２３、５２５はボイスコイルのボビンのＢ−Ｂ‘断面、
６は振動板である。
７１と７２の円で囲む部分は｛後述の図２の拡大図での詳細説明｝の部分である。
白丸はボイスコイルの電流極性が｛手前から向こう｝を向いていることを示す。黒丸はボイスコイルの電流極性が｛向こうから手前｝を向いていることを示す。
【００２９】
ボイスコイルは、
横座標｛Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４｝と縦座標｛Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ４｝の交差点を中心とする位置に設ける。隣りあうボイスコイルの電流極性が互いに逆方向となるよう｛巻方向と配線｝によって電流極性を決定する。
隣りあう磁極は互いに逆極性となるよう配置する。Ｎ極の磁極の周りの全ての磁極はＳ極で、Ｓ極の磁極の周りの全ての磁極はＮ］極である。
【００３０】
ボイスコイル２２１は上面からみて右巻極性であって、ボイスコイルが囲む磁極はＮ極であり、矢印方向に電流を流した場合振動板を押し出す方向に駆動力が発生する。ボイスコイル２１１は上面からみて左巻極性であって、ボイスコイルが囲む磁極はＳ極であり、矢印方向に電流を流した場合振動板を押し出す方向に駆動力が発生する。同様に全てのボイスコイルに同一電流をその方向に流した場合、全てのボイスコイルは振動板を押し出す方向に駆動力を発生する。
【００３１】
隣りあう磁極間の磁気ギャップには均一な磁界が発生し、ボイスコイルに流す電流はボイスコイル全体に均一な駆動力を生む。
【００３２】
図２は図１の円で囲った部分｛７１と７２｝の磁極間の磁束分布の説明図である。
図２（ａ）は図1の７１の部分、図２（ｂ）は図１の７２の部分を示す。
図２の｛図１と同番号｝は同機能である。
２３２は図１の｛Ｘ３、Ｙ２｝座標のＮ磁極であり、
その四方を｛２２２，２３１、２４２、２３３｝のＳ極が取り囲んでいる。
｛２４１、２４２，２４３｝はそれぞれ
座標｛Ｘ４、Ｙ１｝｛Ｘ４、Ｙ２｝｛Ｘ４、Ｙ３｝の上にあって、｛Ｎ、Ｓ、Ｎ｝の磁極である。
｛３４１、３４２、３４３｝は座標｛Ｘ４、Ｙ１｝｛Ｘ４、Ｙ２｝｛Ｘ４、Ｙ３｝の永久磁石である。
｛細い線と細い矢印｝の組みは、磁路内の｛磁束と磁束の方向｝を示す。
上面から見た｛ＮからＳへ向かう磁束｝は４辺間では平行に近いが、４個の磁極のコーナーが集まる空間ではギャップからはみ出るように膨らむ。ボイスコイルは、この部分では四半円であり、磁束とほぼ直交するのでこの四半円の部分も、効率を大きく落とすことなく、駆動力を生む。
【００３３】
｛２４１と２４２の磁極間の磁束｝は｛３４１と３４２の永久磁石｝と４の平面磁路を磁路とする磁気ループによって生じる。本案発明の磁気回路は、一般のスピーカーの磁気回路のように、｛大きな一個の磁石からの磁束｝を導く磁路ではなく、小さい磁石が分散されて、小さい磁極に導く磁路であって、磁路中の磁束は小さい。磁路も分散されていることから、断面積の大きい磁路を必要としない。従って、薄い板状の平面磁路で機能させることができ、磁気回路材料の無駄が少なく、薄形のスピーカーに適している。
【００３４】
図３は本案発明の一実施例を示す。図１の基本構造に加え、磁極間の磁気ギャップの磁束密度をさらに高めるための手法である。図１、図２と同番号は同機能を示す。３０１１，３０２１、３０３１、３０４１はそれぞれ第2永久磁石である。
第１永久磁石｛３１１、３２１、３３１、３４１｝と
第２永久磁石｛３０１１、３０２１、３０３１、３０４１｝は、それぞれ、
磁極｛２１１、２２１、２３１、２４１｝側で同極性である。第２永久磁石を設けることで、磁気ギャップの磁束密度を約2倍に上げることができる。
｛薄形化、高性能化｝に効果的な手法である。
【００３５】
図４は本案発明の一実施例を示す。図１の基本構造に加え、さらに1段の｛磁気ギャップとボイスコイル｝を設け、駆動力を増強する場合の説明図である。
図４の図１、図２、図３と同番号は同機能である。
２０１１、２０２１、２０３１、２０４１は第２磁極、
図１に説明の第１組ボイスコイルに加え、第２組ボイスコイルを2階建て構造に設けることから駆動力が大きくなる。図３では,第２永久磁石の第１磁極と反対側の磁極から出る磁束を駆動力に利用していないが、図４ではその磁束を第2磁極の磁気ギャップに集中させ、磁束の利用効率を上げる。図４の方法は図３の方法に比べ駆動力を約１．５倍とすることができる。
【００３６】
さらに図３と同様、第２磁極の上面に第３の永久磁石を設けることで図３に比べ駆動力を約２倍とすることができる。
さらに、ボイスコイルと磁気回路の階層を増やすことで駆動力を上げることができる。
【００３７】
請求項１はボイスコイルの構造に関する。四角形状のボイスコイルを組み合わせることで、有効な駆動力を得るボイスコイルの密度を上げる手法に関する。
請求項２は上記ボイスコイルと組み合わせる磁気回路に関する。各ボイスコイルに対応して磁極と永久磁石と共通の平面磁路を設けることで、面駆動系が完成する。
請求項３は磁気ギャップの磁束密度を上げ、駆動力をさらに上げる方法に関する。
請求項４はボイスコイルと磁気回路を２階層にすることで、駆動力をさらに上げる方法に関する。
請求項５は２階層目の磁気ギャップの磁束密度を上げ、ボイスコイルと磁気回路の駆動力を、さらに上げる方法に関する。
請求項６は任意の階層のボイスコイルと磁気回路により、駆動力を上げる方法に関する。
請求項７は請求項１から請求項６に定義の部品としてのスピーカーを音響再生装置、あるいはその応用装置への応用に関する。
【００３８】
【符号の説明】
【００３９】
Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４  図面の横軸の位置。
Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ４  図面の縦軸の位置。
１１１，１２１、１３１、１３２、１３３、１４１、１４２  ボイスコイル。
太い線と太い矢印  ボイスコイルとその電流極性。
細い線と細い矢印  磁束とその方向。
２１１、２２１、２３１、２４１、２２２，２３２、２３３、２４２、２４３
第１磁極。
２０１１、２０２１、２０３１、２０４１  第２磁極。
３１１、３２１、３４１、３４２、３４３  第１永久磁石。
３０１１、３０２１、３０３１、３０４１  第２永久磁石。
４  平面磁路。
５１１、５１２、５１３、５１５、５２１、５２２、５２３、５２５、ボビン。
６  振動板。
７１、７２  拡大図のエリア。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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