(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピーカエンクロージャ、
スピーカエンクロージャ内に形成され、かつ、スピーカエンクロージャ上にポートを備えたダクト、
スピーカエンクロージャに取り付けたスピーカ、
を備え、約20Hz〜100Hzの周波帯域を実使用帯域とするとき、
前記スピーカは実使用帯域の上側周波数より高く設定した第１の共振周波数を有し、前記ポートは実使用帯域の下側周波数より低く設定した第２の共振周波数を有する、
ことを特徴とする低域再生用スピーカユニット。
【請求項２】
スピーカの振動系を軽量化することにより、あるいは、スピーカのコンプライアンスを下げることにより前記スピーカの共振周波数を実使用帯域の上側周波数より高くする請求項１記載の低域再生用スピーカユニット。
【請求項３】
前記ダクト長を大きくすることにより、あるいは、前記ダクトの断面積を小さくすることにより前記ポートの共振周波数を実使用帯域の下側周波数より低くする請求項１または２記載の低域再生用スピーカユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は低域再生用スピーカユニットに係わり、特に、スピーカエンクロージャにポート（開口部）を備えたダクトを形成した低域再生用スピーカユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
低域再生用スピーカユニットとして、図８(a),(b)の断面図、正面図に示すように、スピーカ開口孔１が形成されたエンクロージャ（箱）３にスピーカ４を設けると共に、エンクロージャ前面部にポート（開口部）２を有するダクト（管）５を形成した位相反転型低域再生用スピーカユニットが知られている。尚、吸音材６がエンクロージャの内側に適当に配置されている。かかる位相反転型の低域再生用スピーカユニットによれば、エンクロージャ（Vented Type Enclosureと呼ばれている)自体をいわゆるヘルムホルツの共鳴器とすることができ、低域全体を増強できる。以下にその理由を説明する。
【０００３】
スピーカは前後に振動して空間に粗密波を作り出すが、前に動くとコーンの前面の空気は密になり、コーンの後面の空気は粗となって位相が正反対となる。スピーカにバッフルをつけずに裸で鳴らすと、前後の粗密の状態が互いに入り混じって打消し合い、音にならない。前後の位相が逆の音が混ざらないように大きなバッフルをつければよいが低周波数まで有効なバッフルは大きなものとなり実用的でない。そこで、位相反転型の低域再生用スピーカユニットでは、後ろからの音の位相をダクト５で180０反転させて、コーンの前の位相と同じにしてポート２より放射する。すなわち、位相反転型低域再生用スピーカユニットは、スピーカ後面から放射される音を積極的に利用するもので、エンクロージャ３の内部容積とダクト５とでいわゆる"ヘルムホルツの共鳴"作用を発生し、該共鳴作用によってポート２から外部に音を放射する。この放射した音がスピーカユニット前面に放射された音と同相になるので、ちょうど低音の放射能率を向上させる働きをすることになる。"位相反転"と呼ばれるのは、このようにスピーカユニット後面からの逆位相の音が共鳴時にポートから放射されるとき正相に反転し、効果を上げるため、これを積極的に利用したエンクロージャというところからきている。
【０００４】
図９は従来の別の位相反転型低域再生用スピーカユニットの斜視図であり、スピーカ孔１とポート２がエンクロージャ３の隣接する異なる面に形成され、また、断面円形のパイプダクト５がエンクロージャ内に形成されている。
図１０は従来の位相反転型低域再生用スピーカユニットの電気インピーダンス特性（ｆ−Ｚ特性)である。ｆ−Ｚ特性より明らかなように、スピーカユニットは、第１の共振周波数（箱に取り付けたスピーカ４の共振周波数）ｆ１、第２の共振周波数（ポート２の共振周波数）ｆ２を有すると共に、その間に共鳴周波数ｆ０を有し、共鳴周波数付近で放射効率が増大する。
図１１はセダンタイプの自動車におけるスピーカ配置例であり、フルレンジの４つのスピーカＳ１〜Ｓ４がフロント、リアの左右のドアにそれぞれ配設され、かつ、図８または図９の低域再生用スピーカＳ５がサブウーハとしてトランク内に配設されている。ＲＶ車やミニバンタイプの自動車でも低域再生用スピーカ
Ｓ５は後部の荷物置き場の端に配置される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
位相反転型の低域再生用スピーカユニットにおいて、最大音圧は共鳴周波数を中心として得られ、従来、第１、第２の共振周波数ｆ１，ｆ２（図１０）は共に実使用帯域(約20Hz〜100Hz)内の適当な値となるよう設計されている。電気インピーダンスはこれら第１、第２の共振周波数ｆ１，ｆ２を中心にして変化するため、周波数位相特性（ｆ−θ特性）は図１０の点線で示すように位相＝０のフラットな特性にならない。すなわち、従来の低域再生用スピーカユニットでは、実使用帯域において位相θが遅れたり、進んだりし、周波数ｆによって時間的な遅延が発生する。本来、位相遅延が零の状態で音が到来することが望ましく、周波数によって位相が遅れたり進んだすると、音が濁り、ひずみが大きくなる。特に、図１１に示すようにサブフーハＳ５は自動車内の運転手席から最も離れた場所に配置されるため、更に遅延が大きくなり、音質面でメインスピーカＳ１〜Ｓ４との位相ずれによる歪みが発生し、又、サブウーハＳ５の音像定位が悪化する問題が発生する。
以上から本発明の目的は、歪みを軽減し、かつ、低域の音像定位を改善することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、実使用帯域における位相特性を実質的にフラット（=ゼロ）にする。
特に、上記目的を達成するために、本発明の低域再生用スピーカユニットは、スピーカエンクロージャ、スピーカエンクロージャ内に形成され、かつ、スピーカエンクロージャ上にポートを備えたダクト、スピーカエンクロージャに取り付けたスピーカを備え、スピーカは実使用帯域の上側周波数より高く設定した第１の共振周波数を有し、ポートは実使用帯域の下側周波数より低く設定した第２の共振周波数を有する。
好ましくは、スピーカは、軽量化により第１の共振周波数を実使用帯域の上側周波数より高くする振動系、を有している。あるいは、スピーカのコンプライアンスを下げることにより第１の共振周波数を実使用帯域の上側周波数より高くする。
好ましくは、ダクト長を大きくすることにより第２の共振周波数を実使用帯域の下側周波数より低くする。あるいは、ダクトの断面積を制御することにより第２の共振周波数を実使用帯域の下側周波数より低くする。
以上の本発明の低域再生用スピーカユニットによれば、スピーカユニットの第１、第２の共振周波数を実使用帯域の外側にもっていくことで実使用帯域における位相特性をフラットにでき、位相遅れ・時間遅れがなくなる。この為、他のスピーカユニット間での位相ずれによる歪み等が軽減するばかりでなく、周波数毎の時間遅れもなくなることで低域の音像定位も大幅に改善され、きれいな定位感を得ることができる。
また、本発明の低域再生用スピーカユニットによれば、実使用帯域で位相特性、周波数特性を共にフラットにでき、このため小さいスピーカでハイパワーの音を出力できる。
また、本発明の低域再生用スピーカユニットによれば、実現の為のスピーカユニットとしては低コンプライアンスの（振幅が少ない）ものでよい為、低域の過大振幅によるスピーカユニットの破損をなくすことができ、信頼性が向上できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
（Ａ）本発明の概略
図１は本発明の低域再生用スピーカユニットの概略説明図である。低域再生用スピーカユニットは隣接する面にそれぞれスピーカ開口孔１１とポート(開口部)１２が形成されたエンクロージャ１０を有している。エンクロージャ１０の内部には、スピーカ開口孔１１に嵌まるようにスピーカ１３が取り付けられ、また、ポート１２を形成するダクト（管）１４がエンクロージャ１０の内部に略Ｌ字状に延伸して設けられている。
【０００８】
本発明の図1に示された低域再生用スピーカユニットでは、エンクロージャ１０に取り付けたときのスピーカ１３の共振周波数（第１共振周波数）ｆ１を実使用帯域(約20Hz〜100Hz)の上側周波数より高く、ポート１２の共振周波数（第２の共振周波数）ｆ２を実使用帯域の下側周波数より低くなるようにスピーカ１３及びダクト１４を設計する。このように第１、第２の共振周波数ｆ１，ｆ２を実使用帯域(約20Hz〜100Hz)の外側になるように設計すると、電気インピーダンス特性（ｆ−Ｚ特性）は図２の実線で示すようになり、また、位相特性（ｆ−θ特性）は図２の点線で示すように実使用帯域内で実質的にフラット（＝零）になる。
【０００９】
（Ｂ）第１、第２共振周波数の調整
エンクロージャ１０に取り付けたときのスピーカ１３の共振周波数（第１の共振周波数）ｆ１は次式
ｆ１＝（１／２π）／（Ｍ×Ｃ）1/2  (1)
により求まる。ただし、Ｍはスピーカの振動系の質量、Ｃはスピーカのコンプライアンスである。従って、振動系の質量ＭまたはコンプライアンスＣを下げることによりスピーカユニットの共振周波数ｆ１を実使用帯域(約20Hz〜100Hz)の上側周波数より高くすることができる。ここでコンプライアンスとはスティフネス（剛性）の反意語で振幅(振動)のしやすさを示す値である。
【００１０】
また、ポート１２の共振周波数（第２の共振周波数）ｆ２は次式
ｆ２＝（Ｖs／２π）×｛Ｓ／（Ｌ×ＶＩ）｝1/2     (2)
により求まる。ただし、Ｖsは音速、Ｓはダクト１４の断面積、Ｌはダクトの長さ、ＶＩはエンクロージャ１０の容積である。従って、エンクロージャーに一体に形成されたダクト１４の長さＬを通常より長くすることにより、あるいは、ダクト１４の断面積Ｓを小さくすることにより、共振周波数ｆ２を実使用帯域(約20Hz〜100Hz)の下側周波数より低くすることができる。この場合、ダクト断面積Ｓを小さくすると音響抵抗が大きくなり音圧が不十分となるため余り細くはできない。また、ダクト長Ｌを長くするとやはり音圧が小さくなる。このため、音圧が余り小さくならず、かつ、共振周波数ｆ２が実使用帯域より低くなるようにダクト長Ｌと断面積Ｓを調整することが望ましい。
【００１１】
（Ｃ）スピーカの構成
・全体の構成
図３は最も一般的なコーン型スピーカの構成図であり、主に３つの部分に分けられる。第１は振動系、第２は磁気回路、第３はこれらを支える本体部分である。振動系は、振動板（コーン紙）２１、エッジ２２、ボイスコイル２３、ダンパー２４、センター・キャップ２５等で構成され、磁気回路はマグネット２６、センターポール／ヨーク２７、プレート２８で構成され、本体部分は、フレーム２９、ガスケット３０、入力端子３１等で構成されている。ボイスコイル２３に音声信号に基づいて電流を流すとフレンミングの左手の法則により電流の正負により矢印Ａ，Ｂ方向にコーン紙２１が振動して音が放射される。
【００１２】
・コーン振動板
コーン振動板２１は、形状が円錐形(cone)になっているのが特徴で、スピーカ性能を左右する重要部品であり、その目的や性能のために各種形状や材質及び製造方法の違ったものがある。コーン振動板２１は一般的に首部にボイスコイル２３を固定して駆動され、周辺はエッジ２２により支持された構造で、駆動点から離れた周辺部が空気の負荷に耐えられるように円錐形の角度を持った斜面と機械的強度を必要とする。
コーンの材質としては、紙パルプが大部分でアルミニュウムや絹の繊維にフェノール樹脂処理したものなどがある。また、最近ではアルミニウム単板やサンドイッチ構造あるいはCFRPを使ったハニカムサンドイッチなど新材料が開発されている。コーンとして現在多く使われている紙製コーンは、振動板としての物理的性能すなわち剛性、密度及び内部損失が適正値に近く、その上、製作が容易であり他の材料には得がたい特質がある。この紙製コーンには、貼り合わせコーン、ノンプレスコーン、ウエットプレスコーン、ドライプレスコーンなどがありそれぞれ特長をもっている。コーン材料としては上記の他にもたくさんあり、またそれらの組み合わせや配合比などを考えると、材料の種類は非常に多い。
【００１３】
・ダンパ
ダンパ２４は、ボイスコイル２３を磁極ギャップＧの中に懸垂させ、振動時に磁極に当たらないよう中心を保持する役目と振動系全体の位置を保持する役目をもっているが、この保持によるスティフネスが振動系の低音共振周波数を支配する要因になる。したがって、振動方向である軸方向には柔らかくこれと直角の横振動には動きにくい性質の構造と材質が必要である。一般にスパイダと呼ばれるコルゲーションの入ったアウトサイドダンパは、主として麻布、綿、絹、ナイロン繊維の材料が使われ、フェノール樹脂を含浸して加熱成形されたものが多い。これら布地の目の荒さが通気性をもち、内部の共振や音の放射を防ぐ効果をもっているためである。
【００１４】
・エッジ
エッジ２２は、振動板２１の音響的終端としての役目と共に、振動板を正しい位置に保持し、バッフル板と振動板の外周辺との間で生ずる音響的短絡を防ぐ役目をもっている。このためエッジ２２は、振動板２１の振動に対して機械的直線性が要求される。また、ダンパ２４と共に振動系のスティフネスとして働き、低音共振周波数を支配するので、振動方向である軸方向には柔軟で横振動には動きにくい性能が要求され、したがてエッジの構造や材質に工夫が必要である。
エッジの構造としては大きく分類するフィクスドエッジとフリーエッジ及びエッジレスの３つに分類された各種構造のものがある。また、材料としては紙や布にダンピング塗料をコーティングしたダンプドエッジや皮革(鹿、山羊、兎など)、フェルト、ウレタンフォーム、ゴム成形品などを使ったものなどがあるが、材料としては適度に音響抵抗をもったものが望まれる。
【００１５】
（Ｄ）第１の共振周波数の具体的調整法
(1)式よりスピーカ１３の共振周波数（第１の共振周波数）ｆ１を調整するには振動系の質量Ｍを軽くし、またはコンプライアンスＣを下げればよい。振動系の質量Ｍを軽くするには、振動板（コーン紙）２１、エッジ２２、ボイスコイル２３、ダンパー２４、センター キャップ２５などの材質、含浸材料を工夫して軽量化する。
また、前述のようにダンパ及びエッジは振動系のスティフネスを与えるように動作し、前述の低音共振周波数を支配する。従って、これらダンパ、エッジの材質、構造を工夫することによりコンプライアンスＣを下げることができる。例えば、ダンパ２４として厚みのある麻布を用いたり、あるいは、含浸した後硬化するような処置を施すことにより剛性（バネ係数）を大きくする。
（Ｅ）本発明と従来のスピーカユニットの構成と特性比較
図４は本発明の低域再生用スピーカユニットの構成図、図５は従来の低域再生用スピーカユニットの構成図であり、それぞれ(a)は斜視図、(b)、(c)はエンクロージャ内のダクト形状を示す図である。図４の本発明のスピーカユニットにおいてダクト１４は実質的にＬ字状に形成され、図５の従来のスピーカユニットのダクトに比べて長くなっている。
図６は本発明の低域再生用スピーカユニットの特性図、図７は従来の低域再生用スピーカユニットの特性図であり、それぞれ(a)はｆ−Ｚ特性、(b)はｆ−θ特性である。図６(a),(b)より明らかなように本発明の低域再生用スピーカユニットによれば、第１、第２の共振周波数ｆ１，ｆ２を実使用帯域(サブウーハ帯域)ＦＵの外側になるようにでき、ｆ−θ特性を実使用帯域内で実質的にフラット（＝零）にできる。これに対して、従来例の低域再生用スピーカユニットでは、第１、第２の共振周波数ｆ１，ｆ２は共に実使用帯域(サブウーハ帯域)ＦＵ内であるため、ｆ−θ特性は実使用帯域でフラットにならず大幅に変化する。
以上、本発明を実施例により説明したが、本発明は請求の範囲に記載した本発明の主旨に従い種々の変形が可能であり、本発明はこれらを排除するものではない。
【００１６】
【発明の効果】
以上本発明によれば、スピーカユニットの第１、第２の共振周波数を実使用帯域の外側にもっていくことで実使用帯域における位相特性をフラットにでき、位相遅れ・時間遅れがなくなる。この為、他のスピーカユニット間での位相ずれによる歪み等が軽減するばかりでなく、周波数毎の時間遅れもなくなることで低域の音像定位も大幅に改善され、きれいな定位感を得ることができる。
また、本発明によれば、実使用帯域で位相特性、周波数特性を共にフラットにでき、このため小さいスピーカでハイパワーの音を出力できる。
また、本発明によれば、実現の為のスピーカユニットとしては低コンプライアンスの（振幅が少ない）ものでよい為、低域の過大振幅によるスピーカユニットの破損をなくすことができ、信頼性が向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の低域再生用スピーカユニットの概略図である。
【図２】本発明の低域再生用スピーカユニットのf-Z、f-θ特性図である。
【図３】スピーカの構成図である。
【図４】本発明の低域再生用スピーカユニットの構成図である。
【図５】従来の低域再生用スピーカユニットの構成図である。
【図６】図４の本発明の低域再生用スピーカユニットの特性図である。
【図７】図５の従来の低域再生用スピーカユニットの特性図である。
【図８】従来の位相反転型の低域再生用スピーカユニットの説明図である。
【図９】従来の別の位相反転型低域再生用スピーカユニットの斜視図である。
【図１０】従来の低域再生用スピーカユニットのf-Z、f-θ特性図である。
【図１１】自動車におけるスピーカ配置説明図である。
【符号の説明】
１０・・エンクロージャ
１１・・スピーカ開口孔
１２・・ポート(開口部)
１３・・スピーカ
１４・・ダクト（管）
【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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