JP5178043B2 - スピーカ - Google Patents

Description

本発明はコーン型ダイナミックスピーカに関するもので、特にコーンの中心に、音響反射板を備えたスピーカに関するものである。

コーン型ダイナミックスピーカは、音響電気信号をコーンの機械的振動に変えて音を再生するように構成されている。
従ってその音響的諸特性の測定は、コーンの前面に配したマイクロフオンによって、コーンの振動に伴って生じる音圧（空気圧）の変化を測定することにより行っている。
即ち、コーン全体から生じる総合的音圧を測定することによって特性を測定している。

しかしながら本発明の発明者は後述のように再生音の音圧、特に高域音の音圧がコーン全面から均一に生ずるものではなく、コーンの部位によって音圧も位相も異なることを解明した。
またその解析結果に基づいて、コーン型ダイナミックスピーカの中心部にコーン形状反射板を設けることによって、高域周波数特性の改善が計られることを発見した。

コーン型ダイナミックスピーカにおいて、主コーンの他に、高音域再生専用のサブコーンを設けた、いわゆるダブルコーンスピーカが従来より知られている。
たとえば特開平８−１４０１７５号の発明には、コーンの再生帯域の中高域に生じるディップを相殺するようにサブコーン外径を選択した、ダブルコーンスピーカが示されている。

また特開２０００−１２５３９２号には、パラボリック形状のサブコーンを設け、サブコーンで高音域を再生した後、サブコーン中央に設けられたディフューザーで高域音を拡散し、高域音の指向特性を改善したダブルコーンスピーカが示されている。

しかしながら上記特許文献１，２に示すような公知のダブルコーン型スピーカにおいては、いずれも小口径のサブコーンを設けることによって高い音域の再生を担わせることを目的としている。
特開平８−１４０１７５号公報 特開２０００−１２５３９２号公報

本発明は、従来のコーンが高域において周波数特性が劣化する原因の根源を突き止め、その対策を立てることによって高域周波数の再生を分担するサブコーンがなくても、十分な高域再生が可能なコーン型ダイナミックスピーカを得ることを目的とする。

コーン型ダイナミックスピーカの出力特性は、通常スピーカ前面に置かれたマイクロフォンによって、コーンの振動に伴って生ずる音圧を測定することによって行われている。
しかしながらこの音圧はスピーカのコーン全体から生じる音圧であって、コーンの各部分が同一周波数、同位相の音圧を発生しているかは解明されていなかった。

発明者はこの点を明らかにするためコーンの小面積単位での振動を検知測定できるマイクロフォンを開発した。
このマイクロフォンは、防振性ゴムの弾性体で作った筐体内にマイクロフォン素子を封入するとともに、筐体に小面積の集音開口を設けた構造になっている。集音開口は長径８ミリメートル，短径２ミリメートルの楕円形状でこの集音開口をコーンの被測定部に接触して置くことにより、コーンの局部的振動を測定することが可能となった。ここで、集音開口部のゴムの弾性体はコーンの振動変位に充分追従する結果、内蔵されたマイクロフォン素子によってコーンの局部振動のみが測定できる。例えばマイクロフォンの集音開口の長径をコーンの円周方向に合わせ、短径を直径方向に合わせると、コーン上の２ミリメートル幅上で生じた振動を局部的に捉えることが出来る。従ってマイクロフォンをコーンの直径方向に移動すれば、コーンの中心から外周に向かって２ミリメートル間隔でコーンの振動を測定することができる。

図２乃至図４は、このマイクロフォンを用いて、コーンの中心部即ちコーンとボイスコイルボビンの接合部から、コーンの外周部即ちコーンとエッジの接合部に向かって、２ｍｍ及び５ｍｍ間隔で出力の位相を測定したグラフである。測定に用いたスピーカは一般的な、口径５ｃｍ，１０ｃｍ，２０ｃｍの三種を用い、口径５ｃｍと１０ｃｍのものでは、５ｋＨｚ，７ｋＨｚ，１０ｋＨｚの３周波数について測定し、口径２０ｃｍのものは２ｋＨｚ，３ｋＨｚ，５ｋＨｚの３周波数を用いて測定した。
図２乃至図４に示すグラフにおいて縦軸は振動の相対位相角度を度で表わし、横軸はコーンの中心からの距離をミリメートルで表わしている。例えば図２において横軸０ｍｍの点はコーンとボイスコイルボビンの接合点であり、１２ｍｍの点はコーンとエッジの接合点を表わす。

以上の測定結果各口径のスピーカにおいて、横軸の最大外径の約二分の一以下の領域で相対位相角度が前後していることが確認できる。これはコーンを中心からの２ｍｍ幅の同心円（リング）で区切って考えた場合、各リングは夫々異なった位相で振動していることを示し、それはコーン有効半径の二分の一以下の部分で特に著しいことを示している。度数１８０の差は完全な正反対の振動であることから、一般にコーン型ダイナミックスピーカに於いて高音域の特性が劣化するのは、この乱雑な位相の干渉の影響と考えられ、この乱雑な位相の振動音がスピーカ前面に放射されるのを防げば、高音域特性は著しく改善されるものと推定された。

一方上記測定で用いたのと同じ、集音開口を有する小型マイクロフォンを用いて、コーン各部の発する音圧を測定した。このマイクロフォンを用いることによって、コーンの任意の位置が発する音圧を位相と同じように、２ｍｍの幅で測定することができる。

図５は口径１０ｃｍのスピーカのコーンの中心から外周に向かって０．５ｃｍづつマイクロフォンを移動し、その部分の発生している音圧を測定したグラフである。縦軸はマイクロフォン出力をデシベル（ｄｂ）で表わし、横軸はコーンの中心から外周に向かっての距離をセンチメートル（ｃｍ）で表わしている。例えば横軸１ｃｍの部位におけるマイクロフォン出力は、コーンがボイスコイルボビンに接合されている位置から０．９ｃｍから１．１ｃｍの間のコーンが発生するマイクロフォン出力を示している。測定に用いた周波数は３ｋＨｚ，５ｋＨｚ，７ｋＨｚ，１０ｋＨｚの４種類である。

この測定結果から、３ｋＨｚ，５ｋＨｚといった比較的低い周波数ではコーンの中心部で振幅が大きく、７ｋＨｚ，１０ｋＨｚといった比較的高い周波数ではコーンの外周部で振幅が大きくなっている。比較的低い周波数ではコーンは中心部でベンディングを伴い外周部へ横波として変位が伝播されるが、エッヂ部の終端が固定端であることから外周部の振幅は規制される結果、中心部は乱雑な位相となってしまう。比較的高い周波数では横波として変位を伝播することが不可能となり、ボイスコイルは縦波として変位を伝播していると推察される。縦波はコーン最外径の端部で反射され後退波として進行波とのぶつかり合いを起こし、ざくつによる横波発生から主に外周部にて音波を発生している。

以上の二種の測定結果から、高音域特性の優れたスピーカを得るためには、コーンの中心部で起こるベンディングによる乱雑な位相の音波をスピーカ正面に出ないようにすることが必要である。そのためには外周部の秩序ある音波と干渉しないように中心部の音波を外周部の音波に対して直角方向に反射放出させることが必要である。横波の変位が伝播されるベンディングはコーンネックと呼ばれる中心部に集中するが、縦波の後退反射波によるざくつ屈曲はボイスコイル表面とコーン最外径の間で起こる。このざくつ屈曲による音圧発生の低下する原因は中心部と外周部が逆位相の曲率を持つからであり、ノードがボイスコイル表面とコーン最外径の中間位置のときに２倍音モードとして最大の低下を示す。

従ってコーン前面の中心に、リング状コーンの二分の一以下の部分を覆う反射板を設け、リング状コーンの二分の一以下の中心部分で発生した乱雑な位相の音波が、リング状コーンの二分の一以上の外周部で発生する音波と重畳し干渉しないようにすることで、この問題を解決した。ただし、反射板自体が振動質量に付加されることから軽量であることが望まれ、反射板にて縦波の２倍音モードの高域までの改善を前提とするとリング状コーンの二分の一が最大寸法となる。そして、上記課題を解決するために、本願請求項１に記載の発明は、コーン型ダイナミックスピーカにおいて、ボイスコイルボビンの周縁部にリング状のコーンが取付けられると共に、該ボイスコイルボビンの先端部に、コーン形状の高音域を再生しないような材質である反射板の、板面の径方向の内周縁部と外周縁部との間の中間部が取付けられ、前記反射板の前記板面は、前記コーンと１乃至４ｍｍの間隔で前記コーンの板面とほぼ平行を保つように取付けられて、該反射板は前記コーンの略中央部分を覆うようにしたことを特徴とする。
請求項１に記載の発明によれば、高域周波数の再生を分担するサブコーンがなくても、十分な高域再生が可能なコーン型ダイナミックスピーカを得ることができる。

図１は本発明のスピーカの構造を示すスピーカの側面図で、左半分を断面で表わした模式図である。また本発明の説明に必要のない部品は図示を省略している。図１において１は磁性体のヨーク，２はマグネット，３は磁性体のプレートでヨーク１との間で強力な磁界を有するギャップ４を形成している。５はフレームで、コーン７のエッジ６がガスケット８によりフレーム５に取付けられている。９はギャップ４内に上下動するように間挿されたボイスコイルボビンで、下端にボイスコイル９１が巻装され、反対側の端部９２においてコーン７の中心部に固着されている。１０はボイスコイルボビン９の過大な動きを抑制するダンパーである。１２はコイルボビン開口部に取付けられたダストキャップである。
ここまで述べた構造は、コーン型ダイナミックスピーカの極めて基本的な構造で従来からよく知られた構造である。

本発明のコーン型ダイナミックスピーカは、上記ボイスコイルボビン９のコーン取り付け部９２の更に外側の端部９３にコーン形状の反射板１１を取り付けた構造になっている。従ってサブコーンを有する公知のダブルコーンスピーカとは外観上極めて類似した外観を呈しているが、サブコーンの場合は縦波を伝えるため、ボイスコイルボビンを延長するような接合面を持ってボイスコイルボビンに取付けられている。

また本発明のスピーカに用いられている反射板１１は、高音域の再生を目的としたサブコーンとは全く異なるので、反射板自体はむしろ高音域を再生しないような材質であることが望ましい。例えばボール紙のような高音域の再生に全く不適な材質であっても構わず、取付位置もサブコーンと異なり、ボイスコイルボビンの開口を塞ぐような接合面を持って取付けられている。またコーンと反射板の間隔は少ないほど空気抵抗が大きくなり、反射された音圧の減衰が大きくなるので間隔は可及的に小であることが望ましい。

しかしながらコーンと反射板は、同一ボイスコイルボビンに取り付けられているとは言え、夫々独立した振動をするため、相互の接触を避けるためには一定の間隔を保つ必要がある。この最適な間隔を決定するために行った実験の結果を図６に示す。図６（a）〜（c）は口径１０ｃｍのコーン型ダイナミックスピーカを用いて、コーンの中心部に反射板を取り付けた場合のコーン中心軸上の音圧を１５ｃｍ離れた距離で測定したグラフである。反射板は、リング状コーンの約二分の一以下を覆う大きさで直径３０ｍｍから５０ｍｍまで、５ｍｍ間隔のもの五種類を用いた。この反射板を、コーンから１ｍｍ離したものから順次間隔を増し、５ｍｍまで離したものを測定した。１ｍｍ以下の間隔では物理的に取付けが難しい上に、コーンとの接触の可能性が大となるため除外した。図６（ａ）は５ｋＨｚ，図６（ｂ）は７ｋＨｚ，図６（ｃ）は１０ｋＨｚを用いて測定したものである。図６（ａ）から（ｃ）においてグラフの縦軸は反射板を取り付けない場合の音圧に対する相対音圧をデジベル（ｄｂ）で表わしている。横軸はコーンと反射板の間隔をミリメートル（ｍｍ）で表わしている。

この結果図６（ａ）（５ｋＨｚ）および図６（ｂ）（７ｋＨｚ）の場合は、反射板とコーン間隔は出力にほとんど影響を与えていないが比較的高音の１０ｋＨｚ（図６（ｃ））では、間隔が４ｍｍを越えると出力の低下が著しく、反射板を取付けない場合の音圧より低下し、反射板はマイナスの効果となることがわかる。従って高域（１０ｋＨｚ）以上において出力の低下が少なく、且つ出力の安定したスピーカを得るためには、縦波によるコーンざくつ屈曲の２倍音モード以下の逆位相部を反射させるため、リング状コーンの二分の一以下の直径を有する反射板を、コーンと１ｍｍ以上４ｍｍ以下の間隔で取付けることが好ましいとの結論を得られた。

本発明のスピーカの構造を示す一部断面図 ５ｃｍスピーカコーン振動子の位相シフトを表わすグラフ １０ｃｍスピーカコーン振動子の位相シフトを表わすグラフ ２０ｃｍスピーカコーン振動子の位相シフトを表わすグラフ １０ｃｍスピーカコーン振動子上の音圧分布を表わす図 反射板外径寸法及びコーンとの距離と音圧変化の関係を表わす図

符号の説明

１ 磁性体のヨーク
２ マグネット
３ 磁性体のプレート
７ コーン
９ ボイスコイルボビン
１１ 反射板
１２ ダストキャップ

Claims (1)

1. コーン型ダイナミックスピーカにおいて、
   ボイスコイルボビンの周縁部にリング状のコーンが取付けられると共に、
   該ボイスコイルボビンの先端部に、コーン形状の高音域を再生しないような材質である反射板の、板面の径方向の内周縁部と外周縁部との間の中間部が取付けられ、
   前記反射板の前記板面は、前記コーンと１乃至４ｍｍの間隔で前記コーンの板面とほぼ平行を保つように取付けられて、
   該反射板は前記コーンの略中央部分を覆うようにしたことを特徴とするコーン型ダイナミックスピーカ。

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