(57)【要約】【課題】  本発明は、電気音響信号を空気振動に変換するための振動板にダイヤモンドを含むものを用いたスピーカーに関し、従来のスピーカーの振動板に用いられてきた材料より既知の物質中最も優れた音響特性を有するダイヤモンドを含む、容易に製作でき、且つ音響の忠実度を向上した振動板を得る。【解決手段】  粒径が０ミクロンを越え、０．５ｍｍ以下のダイヤモンドの粉体を、有機質或いは無機質の結合材で結合し、その体積中に占めるダイヤモンドの体積比率が１０％以上、９５％以下で、空隙率が３０％を越えないようにして成形し、容易に製作でき、且つ音響の忠実度を向上したスピーカー用振動板を得る。【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒径が０ミクロンを越え、０．５ｍｍ以下のダイヤモンドの粉体を、有機質或いは無機質の結合材で結合して振動板を構成し、その体積中に占めるダイヤモンドの体積比率が１０％以上、９５％以下で、空隙率が３０％を越えないことを特徴とする振動板を用いたスピーカー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響機器に使用するスピーカーに於いて、音響電気信号を空気振動に変えて音響とする振動板に新規な材料を用いたものに関する。ここで言うスピーカーとは、一般的に用いられるスピーカー及び、イヤホン、ヘッドホンと称する、耳穴に差し込んだり、耳に当てて使用するスピーカーと同効の機器を含む。
【背景技術】
【０００２】
従来スピーカーの振動板には、紙、布、合成樹脂或いは紙や布に合成樹脂を含浸させたものなどの有機物、金属、セラミックやそれらの複合体などの無機物が用いられてきた。一部に、それらの上に気相合成法によってダイヤモンドの薄膜を形成したもの、或いは気相合成法によるダイヤモンドの薄膜のみからなるもの（例えば、特許文献１参照）も用いられたが、これまで結合材によってダイヤモンド粒を結合して振動板としたものは無かった。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−３２７０９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
スピーカー用振動板を駆動する方法には、電磁石による駆動、コンデンサによる駆動があるが、何れの場合に於いても、電気音響信号によって磁力或いはコンデンサの蓄電力が変化し、それに対応して振動板が動くものであるため、僅かな、或いは急激な電気音響信号の変化に追随して動くことが要求される。その要求に対応する良好な性能のスピーカー用振動板に要求される特性には、以下の項目が考えられる。
（１）物体が外力によって動かされる場合、微弱な電気信号によって、振動板が容易に動くことが音響を忠実に再現することに繋がるため、振動板の動きやすさが要求される。
【０００５】
（２）振動板が動きやすいものであるためには、軽量であることが好ましい。
（３）電気音響信号から生起された磁力によって振動板を駆動する場合、電磁石が振動板  の一部、殆どは中央部に設置され、その部分の振動が振動板の周縁部にまで伝えられて全体が振動して空気振動を発生するので、一部の動きが急速に振動板周縁部にまで伝えられることが必要である。この特性は、構成材料中を伝わる音波の速度（以後音速）によって定まり、音速が速いと動きの伝わる速度が速い。コンデンサの蓄電力変化で振動板を駆動する場合についても、状況は多少異なるが、同様に要求される。
【０００６】
（４）振動板の一部に伝えられた動きは、その中を伝わって周縁部にまで達し、その間に  振動板の材質によって異なるが、機械的な動きはある程度の減衰を受ける。その減衰を最小限度に止めることが好ましい。
【０００７】
（５）振動板が磁力によって駆動される場合、一部の動きを全体に伝える間に、振動板が  変形すると、空気中に伝えられる音響振動は本来の波形と異なるものとなる。そのため、振動板は変形を最小限度に止めて動くことが音響の忠実な再生にとって好ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者は上記の問題点につき、理論的、実験的に検討を重ねた結果、以下の構想と構成からなる本発明を得た。
（１）振動板を動きやすいものとするためには、振動板の材料に極力軽量なものを用いる。
（２）一部の動きを急速に振動板周縁部にまで伝えられるようにするには、音速の速い材料を用いる。
【０００９】
（３）機械的な動きの減衰を最小限度に止めるには、機械的な動きによって変形することが少ない、即ち剛性率の高い材料を用いる。剛性率が高い材料は、音速も速いため、（２）の要求も満足する。また、内部に空隙があると、その部分で変形にエネルギが消費されるので、空隙は極力少なくすることが必要である。
（４）振動板が変形することなく動くようにするには、（３）と同様に剛性率の高い材料を用い、空隙を極力少なくする。
【００１０】
以上に記載した、振動板に求められる性質について、従来振動板に用いられた材料を検証すると、紙、布及びそれらに合成樹脂を含浸させたもの並びに合成樹脂は、軽量であることから電気信号に対する追随性が優れている。しかし、紙及び布は内部に空隙を有するため、エネルギ減衰が大きく、それらに合成樹脂を含浸させたもの及び合成樹脂は、剛性率が低いため、変形しやすく、音速も低いことが好ましくない。
【００１１】
金属は、音速が比較的高く、殆どの場合内部に空隙を含まず、上記紙などに比べて剛性率が高いことは好ましいが、一部の金属を除いて、密度が高いため、電気信号に対する追随性に於いて劣る場合が多い。
【００１２】
また、上記の基体の上に、ダイヤモンドの薄膜を積層させたもの、またはダイヤモンドの薄膜が用いられることもあるが、ダイヤモンドは多くの金属より密度が低く、剛性率が高いことから、電気信号に対する追随性、音速、変形のし難さの全てについて知られている限り最も優れた材料と考えられる。しかし、基体に積層させる場合、ダイヤモンドの特性だけではなく、基体の特性にも左右されるため、そのような構造を取る限り、スピーカー用振動板として必ずしも優れた性質を発揮するとは限らないし、それらの薄膜は気相合成法によって作られるため、特殊な製造装置を必要とする上、必要な厚さの膜を製造するのに長時間を要して経済的にも不利である。
【００１３】
そのダイヤモンドを使って、最も好ましいスピーカー用振動板を得るには、一体のダイヤモンドで振動板を作ることが望ましいが、現在の技術では極めて困難か、経済的に成り立たせることが難しい。
【００１４】
発明者は、以上の現状に鑑み、優れたスピーカー用振動板を得るため、理論的、実験的に研究を重ねた結果、以下の結論に達し、ダイヤモンド粉体を結合材によって成形し、一体とすることにより、優れた性能を有する振動板を得た。
【００１５】
ここでダイヤモンドがこれまで用いられてきた他の材料に比べて振動板用材料として如何に優れているかをデータによって説明する。表１は、各種材料の密度ρ、ヤング率Ｅ、音速Ｃをまとめたものである。紙及び布については、空隙が多いため、厳密な測定が事実上出来ない。ただし、殆どの場合、表面に合成樹脂をコーティングしたり、全体に含浸させたりするので、便宜上ポリウレタン樹脂のヤング率と音速で代用するが、実際はより遅いと推定される。また、他の合成樹脂についても、それらの値はほぼ同等である。
【００１６】
表１のうち、ヤング率Ｅを密度ρで割った値は、ヤング率が高く、密度が低いほど振動板用材料として優れた性質を有することになるので、その値、即ちＥ／ρが高ければ高いほど、優れていることを意味する。よってダイヤモンドは表中かけ離れた値を示し、電気信号に対する追随性、高いヤング率の両方から最も優れた材料であることを示している。
【００１７】
【表１】
2006013657.tif 000002
【００１８】
その意味で、ダイヤモンドをスピーカー用振動板の材料として用いることが、音響の忠実な再生の面からは好ましいが、実施に当たっては既に述べた理由により、極めて困難か、経済的に成り立たせることが難しい。直径の小さな振動板については、気相合成法によって、コーン状を初めとして、各種形状のスピーカー用振動板を製造できるが、経済的な問題と技術的制約から平面寸法を大きくできないと言う問題に加えて、厚さの上限が数１０μｍ程度であると言う制約もあり、実用化には問題がある。
【００１９】
本発明は、ダイヤモンドをスピーカー用振動板材料として使用する方法を理論的、実験的に研究した結果得られた、ダイヤモンドを主体とした新しいスピーカー用振動板材料を提供するもので、任意の大きさの平面寸法と理論的には使用するダイヤモンドの最大寸法以上の厚さを有する振動板が得られる。更に、平面寸法と厚さだけではなく、理論的にはどのような立体形状の振動板、例えばすり鉢状、ホーン状、平板等任意の形状のものを製作することが可能である。
【００２０】
本発明による、スピーカー用振動板の材料は、粉体のダイヤモンドと、それを結合して成形体とするための結合材を組み合わせたものである。ここで言う粉体のダイヤモンドとは、天然ダイヤモンドであるか、合成ダイヤモンドであるかを問わず、粒の直径が０．５ｍｍ未満、０μｍを越えるもの、好ましくは直径３００μｍ以下、０μｍを越えるものである。
【００２１】
粉体のダイヤモンドは、天然のダイヤモンドや、プレスによって発生した高圧高温下で金属を触媒として合成したダイヤモンド、爆薬の爆発力を利用して合成したダイヤモンド、気相法によって合成したダイヤモンドなどの粒径が０．５ｍｍ以下のものとし、粒径の下限は制約しない。粒径に上限を設ける理由は、粒径が０．５ｍｍを上回ると、振動板の厚さが不必要に厚くなり、駆動に大きなエネルギを必要として実用的でないためである。粒径に下限を設けない理由は、極めて薄い振動板を必要とする場合、小さい粒径のダイヤモンドを使用する必要があることと、振動板中に占めるダイヤモンドの体積比率を高くしたい場合、数種類の粒径のダイヤモンドを組み合わせて使うことによって、単一の粒径による場合より高くすることが出来るため、極めて小さい粒径のダイヤモンドを必要とすることがあるためである。
【００２２】
ダイヤモンドの粉体を結合して成形するための結合材は、有機物と無機物の両方をその振動板の持つべき性質などによって使い分けることが出来る。有機物としては、各種の合成樹脂、天然樹脂、ゴム、カゼインなどの従来接着剤として用いられてきたものを使用できる。無機物としては、金属、セラミック、硝子など、固体で音響振動に長期間耐えられ、ダイヤモンドの粒子を包含して成形できる物質であれば、どのようなものでも使用可能である。ここで、結合材と称する部材には、成形体の強度や耐久性を向上させるための炭素繊維、ガラス繊維、その他の無機質、有機質繊維を混入したものも含む。
【００２３】
また、本発明によるダイヤモンドを含むスピーカー用振動板は、基体として薄い紙、布、プラスチック膜（以下紙等）を用い、その上に結合材と混合したダイヤモンド粒子を塗布して形成しても良い。ただし、基体に用いる紙等は極力薄く且つ質量の少ないものとして、ダイヤモンドと結合材からなる部分の動作を妨げないようにすることが必要で、単位面積当たりのダイヤモンドと結合材からなる部分の質量の１／２以下とするべきである。
【００２４】
ダイヤモンドの粉体と結合材を混合して成形体を作った場合、その音響特性を優れたものにするには、成形体の電気信号に対する追随性を高くすること、即ち、軽量とすることと、ヤング率を高くすること、即ち音速が高い材料を使用することが好ましい。ここで、表１に示したダイヤモンド以外の材料を、ダイヤモンドと組み合わせた場合、どのような効果が期待できるかを検証する。
【００２５】
実際には、ダイヤモンドの粉体を、結合材と組み合わせて成形し、その成形体の物性を測定することが望ましいが、現実には極めて困難であるため、次に示す複合材の物性を推定する方法によって、その特性を推定し、スピーカー用振動板としての良否を判定する。
まず、密度ρについては、数式（１）により求める。式中ρ’は複合材の密度、ρｎはｎ番目の材料の密度、Ｖｎはｎ番目の材料の体積率を示し、数式の意味は、複合材の密度ρ’は、構成要素のρにその体積比率を掛けたものを合計した値であることを示す。
【００２６】
ρ’＝ΣρｎＶｎ          ・・・・・（１）
【００２７】
ヤング率Ｅは、数式（２）によって得られる。Ｅ’は複合材のヤング率、ＥＶｎはｎ番目の材料の密度、Ｖｎはｎ番目の材料の体積率を示し、数式の意味は、複合材のヤング率Ｅ’は、構成要素のヤング率にその体積比率を掛けたものを合計した値であることを示す。
【００２８】
Ｅ’＝ΣＥｎＶｎ          ・・・・・（２）
【００２９】
音速Ｃ’は数式（３）によって求めることが出来る。Ｃ’は複合材の音速、Ｃｎはｎ番目の材料の音速、Ｖｎはｎ番目の材料の体積率を示し、数式の意味は、複合材の音速Ｃ’は、構成要素の音速にその体積比率を掛けたものを合計した値であることを示す。。
【００３０】
Ｃ’＝ΣＣｎＶｎ          ・・・・・（３）
【００３１】
表２は、ダイヤモンド粉を表１中のダイヤモンド以外の材料で結合して成形体とした場合のＥ’，ρ’及びＥ’／ρ’とＣ’の値を示したもので、成形体中に占めるダイヤモンドの体積比率を６０％及び５０％並びに４０％とした場合について求めた。
【００３２】
【表２】
2006013657.tif 000003
【００３３】
表１及び表２において、ヤング率ＥとＥ’は、材料が変形し難い度合いを示し、値が大きいほど変形し難いことを意味する。即ち、材料が応力に対して少ない変形を示すことは、変形によるエネルギの吸収が少ないため、効率よく応力を材料中に伝えることが出来、スピーカー用振動板に使用する場合、音響信号を効率よく空気に伝えることを意味する。
【００３４】
密度ρ及びρ’は、一定の形状において、材料がどの程度の質量となるかを示し、密度が小さいほど質量が少なく、音響信号に対して動きやすい、即ち電気信号に対する追随性が高いことを意味する。
【００３５】
上記からヤング率ＥまたはＥ’は高い程良く、密度ρとρ’は低いほど良いことになるから、Ｅ／ρとＥ’／ρ’が大きな値を示すほどスピーカー用振動板としては優れた特性を有する可能性があることを意味する。、
【００３６】
更に音速ＣとＣ’は、スピーカー用振動板の一部に音響信号が伝えられた場合、他の部分にその信号が伝えられる早さを示し、音速が高いほど良いことを意味する。ただし、これまで説明してきた特性は、あくまでも傾向を示し、例えばＥ’／ρ’が最も高いものが最も良いと言うことにはならず、その値はやや低めでも、音速が高い故によいとか、密度が高くてもヤング率が高ければ薄い振動板として質量を低下させることにより、Ｅ’／ρ’が高い材料より低い質量にしてより優れた特性を引き出せるので、設計によって優れた特性を得ることが出来るため、材料の特性を示す目安として有用なものである。
【００３７】
そのような観点から表２を見ると、ダイヤモンド体積率を１０％にすると、真鍮をダイヤモンドの結合材とした場合に、表１．に示すダイヤモンドを除く各材料のＥ／ρの最高値であるアルミニウム、マグネシウム及びＳＵＳ３０４ステンレス鋼の値をようやく下回ることが分かり、僅かなダイヤモンドの添加で優れた特性を示す可能性を示唆し、ダイヤモンドの体積率１０％でも、結合材の選択が適切であれば、優れたスピーカー用振動板が得られることを示している。
【００３８】
同様に、表２のダイヤモンドの体積率が高い方を見ると、体積率９５％で全ての材料がダイヤモンドとほぼ同等の物性値を示している。ただし、ダイヤモンドの体積率を９５％まで高めて成形することは非常に困難で、特に結合材を無機質とした場合、結合を高温下で行う必要があることが多く、極めて難しい。ダイヤモンドの体積率を高くして成形する場合、それを可能とする方法としては、成形体の内部にある程度の空隙が存在することを認めることで、音響信号が振動板内を伝播する際に、空隙部分を迂回するため、伝播速度がやや低下することを承知の上で、ダイヤモンド体積率がより低いものよりも、聴感で優れたものが得られれば、問題はない。ただし、空隙が成形体全体に占める割合は、ダイヤモンドの優れた性質を発揮させるために、多くても体積率で３０％以下に止めることにより、振動板の主たる材料として選択することの優位性を確保できる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明は、電気音響信号を空気振動に変換するための振動板に、ダイヤモンドを含むものを用いたスピーカーに関し、従来のスピーカーの振動板に用いられてきた材料より優れた音響特性を有するダイヤモンドを含む振動板を使用することにより、音響の忠実度と聴感が格段に向上したスピーカーが得られるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００４１】
粒子径が０．５ｍｍ未満、０μｍ以上の天然或いは合成ダイヤモンドの粒子を体積率で１０％以上９５％以下と、残部を有機物の結合材として、各種の合成樹脂、天然樹脂、ゴム、カゼインなどの従来接着剤として用いられてきたもの、無機物として、金属、セラミック、硝子など、固体で音響振動に長期間耐えられ、ダイヤモンドの粒子を包含して成形できる物質から選ばれたもの１種以上を混合、成形して空隙率３０％以下のダイヤモンドを含むスピーカー用振動板を形成し、電気的駆動機構と組み合わせてスピーカーとする。
【実施例１】
【００４２】
平均粒径１２０μｍのダイヤモンド６０％と、平均粒径４４μｍのダイヤモンド３０％、平均粒径１５μｍのダイヤモンド１０％を混合したもの１０．５ｇに、水エマルジョンタイプの酢酸ビニル樹脂で、酢酸ビニル樹脂５５％と水４５％からなるもの２．４ｇを添加して良く混合した。一方、既製のスピーカーで、紙に合成樹脂を含浸させたスピーカー振動板の外径１５ｃｍ、内径４ｃｍの外周から５ｍｍと内周から５ｍｍの部分を残し、外周部と内周部を９０゜間隔で幅８ｍｍの部分を残してつなぎ、他の部分を切り取ったものを用意した。切り取った部分に、厚さ１０μｍの塩化ビニル樹脂シートを、振動板の切り取らなかった部分を糊代として合成ゴム系接着剤で接合し、接着剤が十分に乾燥、硬化してから、既に混合したダイヤモンドと水エマルジョンタイプの酢酸ビニル樹脂を混合したものに、更に水約５ｍｌを添加してスラリー状として、刷毛で塩化ビニルシート状に塗り、自然乾燥させた。
【００４３】
ダイヤモンドの密度を３，５４０ｋｇ／ｍ３，酢酸ビニル樹脂の密度を１，２００ｋｇ／ｍ３とすると、使用したダイヤモンドの体積は約２．９７ｃｍ３，水を除いた酢酸ビニル樹脂の体積は約１．１ｃｍ３で、両者を合計した体積は約４．０７ｃｍ３、そのうちにダイヤモンドが占める体積率は約７３％になる。それらの混合物を塗布した部分の面積は約１９０ｃｍ２であったので、水分が完全に除去され、混合物の全部が塗布されたとすると、混合物からなる塗膜の平均厚さは、約０．２１ｍｍである。
【００４４】
塗膜の一部を倍率４００倍の光学顕微鏡で観察し、空孔の状況を調べたところ、約２μｍから２０μｍの空孔が無作為に散在し、その塗膜体積全体に占める割合は約５％と推定された。空孔の体積を計算に入れて塗膜の平均厚さを求めると、約０．２２ｍｍになる。
【００４５】
完成したダイヤモンドと結合材からなる振動板を備えたスピーカーを、内容積１５リッターの密閉型スピーカーボックスに取り付け、同じスピーカーボックスにダイヤモンドと結合材からなる振動板と交換する前の、既製の紙に合成樹脂を含浸させた振動板を備えたものとを、各種の音楽をＣＤによって再生し、５人の試験員によって聴感に基づいた官能試験に供した。表３はその結果で、各項目につき１人あたり１０点の評点を合計したものである。尚、試験員は何れも音楽を趣味とするが、電気的に音楽を再生することについての専門知識はない人々である。
【００４６】
【表３】
2006013657.tif 000004
【００４７】
評点は、「中音の華やかさ」と「音響能率」を除いて全ての点でダイヤモンドスピーカーが従来の紙−合成樹脂スピーカーを上回っている。ただし、「中音の華やかさ」は、ダイヤモンドスピーカーに於いては、振動板が優れた剛性を持っているために、振動板の共振が極めて抑制されているため、音楽に於いて多くの場合中心的役割を果たしている中音部で、与えられた信号周波数以外の音響を発生せず、共振を発生しやすいスピーカーと比べた場合、やや寂しく聞こえがちであるためで、むしろ原音に忠実であるという意味で、優れた特性を有することを示唆するものである。
また、「音響能率」についても同じことが言え、中音部で余計な共振を発生しないため、従来のスピーカーと比較すると、寂しく聞こえるものであり、本来の音響を忠実に再現している証拠と言える。従って、「中音の華やかさ」と「音響能率」の評点が低いことは、むしろダイヤモンドスピーカーの従来のスピーカーに対する優位性を示すものである。
【実施例２】
【００４８】
平均粒径が０．４ｍｍのダイヤモンド粉６５％に対し、平均粒径が０．１ｍｍのダイヤモンド粉３５％を混合したものに、体積比率でダイヤモンド１３．７％に対してアルミニウム８６．３％を、真空蒸着法により被覆したものを用意し、ロール法により、厚さ０．４５ｍｍのシートにした。そのシートを角度が９０゜であり、外径３００ｍｍ、内径８０ｍｍのスピーカー振動板に適合するように切断したものを４枚用意し、既製スピーカーの適合する寸法のものに、それまで貼ってあった紙製の振動板を取り除いて貼り付けた。
同様にして、平均粒径が１００μｍのダイヤモンド粉６５％に対し、平均粒径が４４μｍのダイヤモンド粉３５％を混合したものに、体積比率でダイヤモンド１２．９％に対してアルミニウム８７．１％を、真空蒸着法により被覆したものを用意し、ロール法により、厚さ０．１５ｍｍのシートにし、外径１２０ｍｍ、内径３０ｍｍのスピーカー振動板に適合するように切断したものを４枚用意し、既製スピーカーの適合する寸法のものに、それまで貼ってあった紙製の振動板を取り除いて貼り付けた。
【００４９】
更に、平均粒径４４μｍのダイヤモンド粉６０％、平均粒径１５μｍのダイヤモンド粉２５％、平均粒径２μｍのダイヤモンド粉１５％を混合したもの５０体積％を、合成ゴム５０体積％で結合し、厚さ０．１５ｍｍに成形したもので、既存の外径５０ｍｍ、内径３０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの金属製振動板と置き換えた。
【００５０】
それらの３個のスピーカーを、既製の３ウェイスピーカーボックスに取り付け、従来の紙製及び金属製スピーカー振動板を取り付けた同型のスピーカーと、＜実施例１＞で行ったのと同等な官能試験により比較した。その結果、＜実施例１＞と略同様な結果が得られたが、特に重低音の再生度と、音の透明度に於いて、状来スピーカーより大きな優位性が認められた。
【実施例３】
【００５１】
実施例１で作成したのと同様なダイヤモンドを含む振動板からなるスピーカーを作った。ただし、酢酸ビニルの代わりにエポキシ樹脂を用い、更に長さが２０ｍｍから３０ｍｍの炭素繊維をスピーカー膜の３体積％無作為に混合して、スピーカーコーンの形状をした金型でプレス成形することによって製造した。また、その際、実施例１で使用した厚さ１０μｍの塩化ビニル樹脂シートは使用しなかった。
【００５２】
完成したスピーカーを、実施例１で使用したのと同じスピーカーボックスに取り付け、同様な官能試験を実施したところ、実施例１と殆ど同じ結果を得た。更に、炭素繊維をホウ素繊維で置き換えたもの、炭化珪素繊維で置き換えたもの、硝子繊維で置き換えたものを試作して、同様な結果を得た。
【００５３】
尚、本明細書の実施例では、振動板の全てをダイヤモンドを主体とするものとしたが、一部を従来の紙やプラスチックとし、残部を本発明によるダイヤモンドを主体とする振動板としても差し支えない。