JP3756259B2 - ヘッドホン用ドライバー - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はヘッドホン用ドライバーに関する。
【0002】
【従来の技術】
ヘッドホンは、頭部にヘッドバンドを装着しなければならない等の煩わしさがある反面、スピーカに比べて部屋の影響を受けない、或いは他人への迷惑が比較的少ない等のメリットもあり、音楽をじっくり鑑賞するには良い条件がそろっている。
特に部屋の影響を受けずにすむということは、セッティングや、チューニングという煩わしさ、また多くの場合、開発した意図がなかなか正確に再現されないという問題から開放されるという点では、音響機器として設計意図をユーザーに直に伝え易く、また、ユーザーもそれをストレートに感受し、また判断できるというメリットがある。
【0003】
図11は、従来例におけるヘッドホン用ドライバーの断面図である。図において、21は振動板、3はボイスコイル、4はフレーム,ヨーク、5はポールピース、6はマグネットである。
【0004】
この従来のヘッドホン用ドライバーの振動板21にはポリエステル等の高分子フィルムを多用している。これは振動板21のドーム部はある程度の硬さ、剛性が必要であるのに対し、フィルムは熱可塑性で比較的容易に成形することができ、かつ成形による形状剛性が得られるからである。
また、フィルムを薄くすればコンプライアンスを大きくとれる(f0を下げる)ので、低音再生を広げることができる。薄くしたい材料としてはポリエステル系のフィルムが比較的適している。紙,金属は薄くて柔らかいと言う点では向いていない。紙は余り薄くできず、アルミは厚さを薄くしても必要なコンプライアンスが得られない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、素材として見ると殆どの高分子フィルムは比重が1以上であることから、材料としてのヤング率があまり高くなく、PPTA等の比較的ヤング率の高い素材でも、伝播速度(E/ρ)1/2は4000m/s以下であり、曲げ剛性の平方根(E/ρ3)1/2の値は木材パルプよりも低く、充分な高域再生及び高忠実度再生は期待できない。但し、記号Eはヤング率、ρは密度である。
共振周波数fは上記の曲げ剛性の平方根(E/ρ3)1/2と質量mとの積に比例する。すなわち、次の式(1)で表すことができる。
f∝m(E/ρ3)1/2・・・・・・・(1)
【0006】
そこで、ヤング率の高い金属またはセラミック等をドーム部に使用したり、高分子フィルムの表面に蒸着したりという方法も考えられるが、これらの材料は単体で使用すると内部損失(tanδ)が低いため、材料固有の音色を持っており、また、蒸着した場合も音色は変化するが、実際の伝播速度は基材が支配的であるため、f特上もfhは殆ど変化しない場合が多い。
【0007】
さらに最近は生物或いはこれらから生成されるセルロース等を使用し、振動板を形成し、比重が低くかつヤング率が高く、適度な内部損失もある材料が使われているが、振動板としてのコンプライアンスを得るためにはヤング率が高いので振動板を極端に薄くすることになり、その結果振動板としての剛性が低下してしまうという問題がある。
【0008】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、ドーム部に該当する振動板胴体部に求められる性能を極めてバランス良く達成し、しかもエッジ部を振動板胴体部とは別の材料を用いて適切なコンプライアンスを得ることがてきる振動板を有するヘッドホン用ドライバーを提供することを目的とする。
また、充分な低域のエネルギーを持ち、全帯域に渡って極めて低歪みのヘッドホン用ドライバーを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、振動板の振動板胴体部に求められる物性のヤング率,密度,内部損失,曲げ剛性等をバランス良く達成し、また、エッジ部を別に設けることにより振動板を極端に薄くすることなく、高コンプライアンスの材料を使用することができる。
すなわち、離解したバイオセルロースにカーボン繊維を加えることにより、密度を下げ、かつヤング率を上げることができ、バイオセルロース単体の場合よりもさらに高伝播速度,高曲げ剛性が得られる。
また、バイオセルロースに混抄するカーボン繊維の混抄率を上げるとヤング率はさらに高くなるが、内部損失も低下するので、カーボン繊維の混抄を重量比50%以下とすることにより、振動板胴体部に求められる性能を極めてバランス良く達成している。
更に、デュアル磁気ギャップとの併用により、駆動力の増加、磁束密度分布の上下対称、上下コイルの逆巻き方向によりコイルをプッシュプル動作させることができ、一段の性能向上が図れる。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明のヘッドホン用ドライバーは、振動板を振動板胴体部とエッジ部との2ピース構造とし、振動板胴体部の材料は、バイオセルロースを基材とし、カーボン繊維を強化材として重量比15〜50%混抄したものとし、これをデュアル磁気ギャップを形成する磁気回路を用いて駆動することに特徴を有している。
【0011】
本願発明においては、離解したバイオセルロースにカーボン繊維を混抄することで、バイオセルロース単体に比べて、伝播速度(E/ρ)1/2或いは、曲げ剛性の平方根(E/ρ3)1/2をさらに高めている。しかし、カーボン繊維混抄率を高めていくとヤング率が高くなると同時に内部損失が低くなってしまうため、カーボン繊維の比率の最適範囲を求めて採用している。
【0012】
低音域の拡大においては、エッジ部のコンプライアンスを上げる必要がある。一体型の振動板では、振動板の厚さを薄くすることで対応している。しかし、離解したバイオセルロースはヤング率が高いため、厚さ40ミクロンでも必要なコンプライアンスを得ることができない。更に薄くすると振動板としての材料の持つ長所が失われる。一体型の振動板は、剛性とコンプライアンス等相反する物性が要求されるが、一般的にはポリエステルフィルム等を使用して妥協点を見出している。
【0013】
また、エッジ部を別に設けることにより振動板胴体部を極端に薄くしなくても高コンプライアンスを得ることができるので材料の持つ性能を充分に引き出すことができる。フリーエッジタイプでは、振動板胴体部は剛性のある材料、エッジ部は他の材料で柔らかく、例えば薄いウレタンのエラストマーフィルムを使うことで、この問題を解決することができる。
【0014】
離解したバイオセルロースにカーボン繊維を混抄することで、密度を下げ、曲げ剛性を上げている。音質は曲げ剛性と伝播速度の両方で効いており、音のスピード感は伝播速度の高い材料が必要であり、歪みに対しては密度を下げ、曲げ剛性を上げなければならない。内部損失、伝播速度、曲げ剛性等の物性の好適なバランスをとり、音質等の劣化のないように配慮している。
【0015】
振動板胴体部は、基本的にはバイオセルロースが主材になっている。カーボン繊維の混抄がない場合には高域が不足し、カーボン繊維の混抄が多すぎると高域にピークが出るので、物性からくる音響特性との関係で範囲を定めた。
【0016】
しかし、ヘッドホン用ドライバーの振動板では、カーボン繊維の割合が50%以上になると、カーボン繊維どうしが絡み合い、結合が増え、均一に分散しなくなる。絡み合いが出るために、抄紙のムラ、カーボン繊維のムラができ、厚い所と薄い所ができる。結局、極限まで薄くすると、ピンホールが生じる。カーボン繊維の比率が高い場合には、軽量化ができなくなる。
【0017】
そこでカーボン繊維を所定量入れることによって、諸物性値を最適値にしている。物性値には、密度,音速,ヤング率等がある。基本的には密度が1以下,内部損失が0.03程度で音速或いは曲げ剛性を上げている。
【0018】
曲げ剛性は、厚い程強くなり、軸対象モードの振動には非常に効果が大きい。これは振動板胴体部を深くしても効果は少なく、厚くしても余り重量が増えない低密度の材料が必要となる。軸対象モードの分割共振は、特に奇数次の高調波歪み、3次,5次に関係し、高調波歪が多いと音楽を聞く上で非常な阻害となる。従って、それを取り除かないと、高音質の振動板が得られない。
【0019】
曲げ剛性だけであれば、紙でも厚くすれば高くなる。しかし、紙を厚くした振動板胴体部は曲げ剛性は高くなるが、重くなって、感度が下がってしまう。ヘッドホンでは磁気回路を大きくしないで、感度を上げたいので、振動系には軽くて剛性のある材料が必要となる。例えばカーボンクロスは比較的軽量で剛性は高いが、坪量当たりの軽量化に限界がある。そこでバイオセルロースに高弾性のカーボン繊維を補って軽量化と曲げ剛性の向上を図っている。
【0020】
図9は、バイオセルロースに対するカーボン繊維混抄率と曲げ剛性の平方根との関係を示す図である。バイオセルロースにカーボン繊維を混抄する混抄率が0%であると曲げ剛性の平方根は3.1に、混抄率10%で5に、混抄率20%で8.3となる。共振周波数はこの数値に比例する。例えば、カーボン繊維の混抄比率を0%から20%に増やすと、共振周波数は約3倍(8.3/3.1)になる。分割共振のモードの周波数が上がると高調波歪みがそれだけ高域に移動し、かつ歪み量が低減する。
【0021】
また、従来例におけるポリエステルフィルムの曲げ剛性の平方根は1.5である。バイオセルロースの曲げ剛性の平方根は3でポリエステルフィルムの2倍、バイオセルロースにカーボン繊維を15%混抄すると曲げ剛性の平方根は6.5で約4倍となる。
【0022】
図10は、バイオセルロースに対するカーボン繊維混抄率と内部損失との関係を示す図である。内部損失は0.005位変化すると明らかに耳で音質上の評価上の差が分かる。そういう意味ではカーボン繊維混抄率の20%と40%の差も大きい。
【0023】
内部損失は、カーボン繊維混抄率が40〜50%で一番低くなる。カーボン繊維単体の内部損失は非常に低く0.0001でアルミの0.002よりも更に低い。また、バイオセルロースが持っている内部損失自体がかなり大きな値(0.037)であり、バイオセルロースをマトリック材として中にカットした3mm位のカーボン繊維を分散させて作った複合材料であれば、ポリエステルフィルムが持っている0.02よりは大きい。従って、内部損失が従来の材料よりも大きい値となり、かつ、大きな曲げ剛性が得られる。元のカーボン繊維の性質からみると2桁位大きな内部損失に維持できる。これは基本的にはバイオセルロースの持っている効果が寄与している。
【0024】
それにカーボン繊維混抄率50%以上になると、内部損失が増大し、結着性がなくなり、カーボン繊維どうしのこすれによるガサガサ音が多く不快な音になってくる。カーボン繊維混抄率0%のものに比べて音質は冷たい感じである。また、抄紙の均一性も悪くなる。そこで、曲げ剛性との兼ね合いから20%から30%近辺の混抄率を選ぶと共振周波数が、4倍以上となりかなりの効果がある。
【0025】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図1は、ヘッドホン用ドライバーの断面図である。図において、1は振動板胴体部、2はエッジ部、3はボイスコイル、4はフレーム,ヨーク、5はポールピース、6はマグネットで、これらによって磁気回路が構成されている。10は振動板胴体部1とエッジ部2からなる振動板である。なお、ヘッドホン用ドライバーの口径はφ50mmとした。
【0026】
振動板胴体部1の材料は、バイオセルロース対するカーボン繊維混抄率を20%に特定し、軽く薄くできる範囲としている。
【0027】
エッジ部2の材料のヤング率を450MPa以下とし、ウレタンエラストマーシート(ブリヂストン URS−B2)を成形したものを使用した。
【0028】
図2は、振動板胴体部1の材料を、バイオセルロースに対するカーボン繊維混抄率を20%としたものと従来例における周波数特性と第2高調波歪みの比較を示す図であり、無響室における測定結果である。図において、実線A1はバイオセルロースにカーボン繊維を混抄したものの周波数特性、破線Bは図11で示した従来例における周波数特性である。従来例における振動板21にはポリエステルフィルムを使用した。実線A12はA1における第2高調波歪み、破線B2は従来例における第2高調波歪みである。
実線A12から、200Hz以上の周波数において第2高調波歪みに改善結果が現れていることが分かる。無響室における測定のために200Hz以下の周波数においては実線A12の方が破線B2よりもレベルが高くなっている。
【0029】
図3は、バイオセルロースにカーボン繊維を混抄したものと従来例における周波数特性と第3高調波歪みの比較を示す図であり、無響室における測定結果である。図において、実線A1はバイオセルロースにカーボン繊維を混抄したものの周波数特性、破線Bは図11で示した従来例における周波数特性である。従来例における振動板21にはポリエステルフィルムを使用した。実線A13はA1における第3高調波歪み、破線B3は従来例における第3高調波歪みである。
実線A13から、200Hz以上の周波数において第3高調波歪みに改善結果が現れていることが分かる。
【0030】
図4は本発明に用いられるヘッドホン用ドライバーの断面図である。なお、図1と同一符号を付したものはそれぞれ同一の要素を示しており、説明を省略する。図において、13はボイスコイル、14はフレーム,ヨーク、15aは上部ポールピース、15bは下部ポールピースで、これらによって磁気回路が構成されている。本発明の実施例では、振動板胴体部1とエッジ部2からなる振動板10は前述のものと同一で、磁気回路を異ならせたデュアル磁気ギャップとしている。なお、ヘッドホン用ドライバーの口径はφ50mmとした。
【0031】
デュアル磁気ギャップを形成する磁気回路に、エネルギー積が極めて高いネオジューム磁石を使用することによって、利用効率が良く、比較的薄く小型にすることができた。なお、デュアル磁気ギャップは実施例では内磁型としている。
【0032】
1.上下の磁気回路が完全対称型にできることから、磁束密度分布が上下対称である。
2.それぞれのギャップに対してコイルの巻き方向を逆向きにすることによりコイルをプッシュプル動作させることができる、という利点がある。
【0033】
図5は、本発明の上記実施例と従来例における周波数特性と第2高調波歪みの比較を示す図であり、無響室における測定結果である。図において、実線A2は実施例における周波数特性、破線Bは図11で示した従来例における周波数特性である。従来例における振動板21にはポリエステルフィルムを使用した。実線A2は実施例における第2高調波歪み、実線B2は従来例における第2高調波歪みである。
実線A2から、200Hz以上の周波数において第2高調波歪みに改善結果が現れていることが分かる。無響室における測定のために200Hz以下の周波数においては実線A22の方が破線B2よりもレベルが高くなっている。
【0034】
図6は、本発明の実施例と従来例における周波数特性と第3高調波歪みの比較を示す図であり、無響室における測定結果である。図において、実線A2は実施例における周波数特性、破線Bは図11で示した従来例における周波数特性である。従来例における振動板21にはポリエステルフィルムを使用した。実線A23は実施例における第3高調波歪み、実線B3は従来例における第3高調波歪みである。
実線A23から、200Hz以上の周波数において第3高調波歪みに改善結果が現れていることが分かる。
【0035】
図7は、図1に示した磁気回路を用いたものと、図4に示したデュアル磁気ギャップの磁気回路を用いた実施例における第2高調波歪みの比較を示す図であり、無響室における測定結果である。図において、実線Aは実施例における周波数特性、破線A12は図1に示した磁気回路を用いたものの第2高調波歪み、実線A22は実施例における第2高調波歪みである。図から明らかなように実施例におけるデュアル磁気ギャップを形成する磁気回路の効果が顕著に現れている。
【0036】
図8は、図1に示した磁気回路を用いたものと、図4に示したデュアル磁気ギャップの磁気回路を用いた実施例における第3高調波歪みの比較を示す図であり、無響室における測定結果である。図において、実線Aは実施例における周波数特性、破線A13は図1に示した磁気回路を用いたものの第3高調波歪み、実線A23は実施例における第3高調波歪みである。図から明らかなように実施例におけるデュアル磁気ギャップを形成する磁気回路の効果が顕著に現れている。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のヘッドホン用ドライバーは、振動板を振動板胴体部とエッジ部との2ピース構造とし、振動板胴体部の材料は、バイオセルロースを基材とし、カーボン繊維を強化材として混抄し、これをデュアル磁気ギャップを形成する磁気回路で駆動するようにしたため、振動板胴体部に求められる性能を極めてバランス良く達成し、また、エッジ部を高コンプライアンスにすることができ、充分な低域のエネルギーを持ち、全帯域に渡って極めて低歪みとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ヘッドホン用ドライバーの断面図である。
【図2】 振動板を振動板胴体部とエッジ部との2ピース構造とし、振動板胴体部の材料をバイオセルロースを基材とし、カーボン繊維を強化材として所定量混抄したものを図1に示した磁気回路で駆動したものと従来例との周波数特性と第2高調波歪みの比較を示す図である。
【図3】 振動板を振動板胴体部とエッジ部との2ピース構造とし、振動板胴体部の材料をバイオセルロースを基材とし、カーボン繊維を強化材として所定量混抄したものを図1に示した磁気回路で駆動したものと従来例との周波数特性と第3高調波歪みの比較を示す図である。
【図4】 本発明の実施例におけるヘッドホン用ドライバーの断面図である。
【図5】 本発明の実施例と従来例における周波数特性と第2高調波歪みの比較を示す図である。
【図6】 本発明の実施例と従来例における周波数特性と第3高調波歪みの比較を示す図である。
【図7】 振動板を振動板胴体部とエッジ部との2ピース構造とし、振動板胴体部の材料をバイオセルロースを基材とし、カーボン繊維を強化材として所定量混抄したものを図1に示した磁気回路で駆動したものと本発明の実施例における第2高調波歪みの比較を示す図である。
【図8】 振動板を振動板胴体部とエッジ部との2ピース構造とし、振動板胴体部の材料をバイオセルロースを基材とし、カーボン繊維を強化材として所定量混抄したものを図1に示した磁気回路で駆動したものと本発明の実施例における第3高調波歪みの比較を示す図である。
【図9】 バイオセルロースに対するカーボン繊維混抄率と曲げ剛性の平方根との関係を示す図である。
【図10】 バイオセルロースに対するカーボン繊維混抄率と内部損失との関係を示す図である。
【図11】 従来例におけるヘッドホン用ドライバーの断面図である。
【符号の説明】
1 振動板胴体部
2 エッジ部
3 ボイスコイル
4 フレーム,ヨーク
5 ポールピース
6 マグネット
10 振動板
13 ボイスコイル
14 フレーム,ヨーク
15a 上部ポールピース
15b 下部ポールピース
21 振動板
A 実施例における周波数特性
A1 振動板を振動板胴体部とエッジ部との2ピース構造とし、振動板胴体部の材料をバイオセルロースを基材とし、カーボン繊維を強化材として所定量混抄したものを図1に示した磁気回路で駆動したものにおける周波数特性
A12 振動板を振動板胴体部とエッジ部との2ピース構造とし、振動板胴体部の材料をバイオセルロースを基材とし、カーボン繊維を強化材として所定量混抄したものを図1に示した磁気回路で駆動したものにおける第2高調波歪み特性
A13 振動板を振動板胴体部とエッジ部との2ピース構造とし、振動板胴体部の材料をバイオセルロースを基材とし、カーボン繊維を強化材として所定量混抄したものを図1に示した磁気回路で駆動したものにおける第3高調波歪み特性
A2 実施例における周波数特性
A22 実施例における第2高調波歪み特性
A23 実施例における第3高調波歪み特性
B 従来例における周波数特性
B2 実施例における第2高調波歪み特性
B3 従来例における第3高調波歪み特性
Claims (1)
- 振動板を振動板胴体部とエッジ部との2ピース構造とし、
振動板胴体部の材料は、バイオセルロースを基材とし、カーボン繊維を強化材として混抄して構成し、リング状マグネットの上下両面にリング状ポールピースを各々配置し、これらのポールピースとリング状ヨークより、前記リング状マグネットの外側にデュアル磁気ギャップを形成するように磁気回路を構成し、この磁気回路により前記振動板を駆動することを特徴とするヘッドホン用ドライバー。
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