JP6052718B2

JP6052718B2 - スピーカ装置

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Publication number: JP6052718B2
Application number: JP2012025446A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　寧; 寧佐藤
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2016-12-27
Anticipated expiration: 2032-02-08
Also published as: JP2013162490A; US20150003658A1; US9369789B2; WO2013118384A1

Description

本発明は、スピーカ装置に関し、特に重低音の再生を効率よく行うバックロードフォーン型のスピーカ装置に関する。

従来、スピーカユニットを筐体に収めたスピーカ装置として、バックロードフォーン型スピーカ装置が知られている。バックロードフォーン型スピーカ装置は、スピーカユニット後方から出力される音波を筐体内の空間（バックロードフォーン）で増幅して出力するものであり、低域音を増強することができる。

特許文献１には、バックロードフォーン型スピーカ装置の一例が開示されている。この特許文献１に記載されたスピーカ装置は、スピーカユニットの後方に密閉空間（空気室）を設け、さらに、その密閉空間と接続された導音管（バックロードフォーン）を設ける構成である。特許文献１に記載されるスピーカ装置は、導音管で低音を増強して出力することができる。

特開２００８−１３１５４１号公報

しかしながら、従来のバックロードフォーン型スピーカ装置は、スピーカユニットの後方から出力される音を、空気室とバックロードフォーンによる作用で増強するものであるため、空気室とバックロードフォーンとして比較的大きな容積を必要とし、スピーカ装置が大型化するという問題があった。
一方、ホームシアターなどに使用されるスピーカ装置は、ディスプレイの薄型化に伴って、薄型で小型のものが普及している。このような用途に使用される薄型のスピーカ装置は、低域音が不足する傾向にあるが、従来から提案されているバックロードフォーン型スピーカ装置をそのまま薄型のスピーカ装置に適用するのは困難である。

本発明は、低域音の再生が効率良く行える、小型化や薄型化に適したスピーカ装置を提供することを目的とする。

本発明は、スピーカユニットが取り付けられるキャビネットとして、スピーカユニットの背面から出力される音波が伝わる密閉空間と、この密閉空間と仕切られた導音空間と、導音空間を伝わる音波の出口を有する構成とする。
そして、キャビネットの密閉空間と導音空間との間に、３００Ｈｚよりも高い周波数の音波では振動しないように厚さのある板で形成される振動板を配置し、その振動板にアクチュエータを取り付ける。そして、振動板そのものにより密閉空間と導音空間とが区切られた状態を確保した上で、アクチュエータにはスピーカユニットと共通のオーディオ信号を供給し、振動板の振動状態をアクチュエータで増強する。

本発明によると、キャビネット内部の振動板による振動で、スピーカユニットから出力される低域音を増強するように作用し、低域音を増強した良好な周波数特性のスピーカ装置が得られる。

本発明の一実施の形態の例によるスピーカ装置を示す斜視図である。本発明の一実施の形態の例によるスピーカ装置の内部を示す、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。本発明の一実施の形態の例によるスピーカ装置のアクチュエータの配置状態を示す部分斜視図である。本発明の一実施の形態の例による接続状態を示す構成図である。本発明の一実施の形態の例による各部の波形例を示す説明図である。本発明の一実施の形態の例による周波数特性図である。

以下、本発明の一実施の形態の例（以下、「本例」と称する）を、添付図面を参照して説明する。
本例のスピーカ装置は、バックロードフォーン型のスピーカ装置として構成する。すなわち、スピーカ装置は、キャビネットの前面に取り付けたスピーカユニットから音波を前面に出力すると共に、スピーカユニットの後方から出力される低域の音波をキャビネット内部の空間を介してキャビネット前面の出口から出力する。このスピーカユニットの後方から出力される音波は、キャビネット内部に配置した振動板により増強した上で、キャビネット前面の出口から出力する。

図１は、本例のスピーカ装置の外形形状を示す図である。スピーカ装置１００は、箱形のキャビネット１１０を筐体として使用する。キャビネット１１０は、木材で構成される。ここでの木材には、木から切り出した板材や、合板などの木材の他に、木材チップなどの木質繊維を樹脂で成形した木質ボードも含まれる。また、スピーカ用キャビネットに適用可能な強度を有する素材であれば、木質材料以外の素材を用いてもよい。キャビネット１１０は、前面板１１１と上面板１１４と底面板１１５と背面板１１６と左右の側面板１１７，１１８とを組み立てることで箱形に構成される。

キャビネット１１０の前面板１１１は、中央付近に円形のユニット取付孔１１２を有し、このユニット取付孔１１２にスピーカユニット１２０が取り付けられる。また、キャビネット１１０の前面板１１１の下部には、後述する導音空間出口１１３が設けられている。

スピーカユニット１２０としては、例えばダイナミック型スピーカユニットが使用される。ダイナミック型スピーカユニットは、円錐形状などの振動板をボイスコイルによる駆動で振動させて、音波を出力するものである。このダイナミック型スピーカユニットが備える振動板としては、紙，樹脂，金属などが使用される。
スピーカユニット１２０は、１個のユニットで可聴帯域全域の再生が可能なフルレンジ型スピーカユニットである。例えばスピーカユニット１２０は、２０Ｈｚから２０ｋＨｚの周波数範囲で再生可能な特性を持つ。但し、２０Ｈｚから２０ｋＨｚの周波数範囲でフラットな周波数特性を持つとは限らず、特に２０Ｈｚ近傍の低域の出力レベルは高域よりも低下している。

図２は、スピーカ装置１００の内部構成を示す断面図であり、図３は、キャビネット内部を破断して、振動板１３１とその周辺を示す図である。
キャビネット１１０の前面板１１１は、図１に示したユニット取付孔１１２と導音空間出口１１３を有する。図２に示すように、ユニット取付孔１１２には、スピーカユニット１２０が取り付けられる。

スピーカユニット１２０の背面側のキャビネット１１０内部には、密閉空間Ｃ１が形成される。この密閉空間Ｃ１は、振動板１３１と底部の隔壁１３５とで、キャビネット内部を区切ることで形成される。振動板１３１と隔壁１３５は、左右の側面板１１７，１１８（図１参照）と接している。このように構成することで、スピーカユニット１２０の背面側、すなわちキャビネット内部に音波が出力される箇所が、外部から区切られた密閉空間Ｃ１になる。キャビネット１１０の密閉空間Ｃ１には、仕切板１３４が配置される。仕切板１３４は、スピーカユニット１２０の背面から密閉空間Ｃ１に出力される音波が、振動板１３１に到達する距離を確保するために配置される。

振動板１３１は、厚さ１０ｍｍ程度の比較的厚さのある木材などの板で形成される。振動板１３１を厚さがある振動板とすることで、振動板１３１は、例えば３００Ｈｚ以下の比較的低い周波数で振動する。そして、３００Ｈｚよりも高い周波数の振動は抑止される。この振動板１３１は、上下に配置した支持部材１３２，１３３でキャビネット１１０に支持される。振動板１３１を構成する木材は、キャビネット１１０を構成する木材と同様に、木材チップなどの木質繊維を樹脂で成形した木質ボードや、木材以外の素材で形成してもよい。
振動板１３１は、ほぼ中央部にアクチュエータ１４０を備える。アクチュエータ１４０については後述する。上側の支持部材１３２は、キャビネット１１０の上面板１１４に接続される。下側の支持部材１３３は、キャビネット内部の隔壁１３５に接続される。

キャビネット１１０の内部の密閉空間Ｃ１以外の空間が、導音空間Ｃ２である。この導音空間Ｃ２は、振動板１３１と背面板１１６との間の空間、および隔壁１３５と底面板１１５との間の空間で形成され、前面板１１１に設けた導音空間出口１１３で外部と導通している。この導音空間Ｃ２は、スピーカ装置１００がバックロードフォーン型として機能するための導音空間（バックロードフォーン）であり、導音空間Ｃ２内を伝わる低音を増強するために、振動板１３１から導音空間出口１１３までの距離は比較的長く設定される。導音空間Ｃ２の容積と密閉空間Ｃ１の容積は、等しくなるように形成される。また、スピーカユニット１２０から外部に出力される音波の位相と、振動板１３１から導音空間Ｃ２を経由して導音空間出口１１３から出力される音波の位相とが同相になるように、密閉空間Ｃ１と導音空間Ｃ２とを形成する。

図２に示すように、振動板１３１は、密閉空間Ｃ１と導音空間Ｃ２との間に配置され、スピーカユニット１２０の背面側から出力される音波により振動する。そして、振動板１３１の振動による音波が、導音空間Ｃ２を伝わって導音空間出口１１３から外部に出力される。図２および図３に示した振動板１３１が振動する方向Ｖ１は、キャビネット１１０の内部で前後に動く方向である。
ここで、振動板１３１は、比較的厚さのある板で形成されるため、スピーカユニット１２０の背面から密閉空間Ｃ１を介して伝わる音波の内、低域の音波に対してのみ振動する。このとき、振動板１３１に取り付けたアクチュエータ１４０は、振動板１３１の振動を増強するように作用する。

図４は、オーディオ信号源９０と、スピーカ装置１００内のスピーカユニット１２０およびアクチュエータ１４０との接続構成を示した図である。
オーディオ信号源９０からオーディオ信号が供給される信号線は、スピーカユニット１２０のボイスコイル１２１に接続される。そして、オーディオ信号源９０からオーディオ信号がボイスコイル１２１に供給されることで、スピーカユニット１２０が備える振動板が振動する。

そして、オーディオ信号源９０からオーディオ信号が供給される信号線は、アクチュエータ１４０に接続される。
アクチュエータ１４０は、入力信号によって直線的な往復運動を行う駆動機構である。図４に示すように、アクチュエータ１４０は、２組のコイル１４２，１４３を備え、その２組のコイル１４２，１４３は直列に接続される。そして、コイル１４２，１４３に供給される信号波形の極性変化が発生すると、磁石１４１が直線方向Ｖａに往復動する。磁石１４１は、バネ１４４，１４５により揺動可能につり下げてある。磁石１４１が往復動する方向Ｖａは、アクチュエータ１４０が取り付けられる振動板１３１が振動する方向Ｖ１（図２，図３）と等しい方向に設定する。

本例では、図４に示すように、オーディオ信号源９０からオーディオ信号が供給される信号線が、アクチュエータ１４０のコイル１４２，１４３に接続される。そして、オーディオ信号源９０からオーディオ信号がコイル１４２，１４３に供給されることで、アクチュエータ１４０が往復運動を行う。
なお、アクチュエータ１４０は、共振周波数を比較的低い周波数に設定する。例えば、アクチュエータ１４０は、共振周波数を約４０Ｈｚとし、約２０Ｈｚから約３００Ｈｚの信号が入力したとき振動するように設定される。なお、アクチュエータ１４０の共振周波数は、磁石１４１をつり下げたバネ１４４，１４５の剛性と磁石１４１の質量などで決まる。

次に、本例のスピーカ装置１００が音波を出力する動作について説明する。
スピーカユニット１２０は、ボイスコイル１２１に供給されるオーディオ信号波形に応じた音波を、キャビネット１１０の前面から出力する。また、スピーカユニット１２０の後方から、キャビネット１１０の密閉空間Ｃ１に、前面側に出力される音波とは逆位相の音波を出力する。

そして、スピーカユニット１２０から密閉空間Ｃ１に伝わる音波が、密閉空間Ｃ１内で遅延されて、キャビネット１１０の内部の振動板１３１を振動させる。振動板１３１は、剛性がある素材で形成したため、約３００Ｈｚ以下の低域の音波に対してのみ振動する。
ここで、密閉空間Ｃ１内の音波の遅延時間は、音波が振動板１３１に到達する際に、音波の位相が反転するように設定することが重要である。
このように遅延時間を設定すると、振動板１３１に到達したときの音波の位相が振動板１３１に取り付けたアクチュエータ１４０の振動と同位相となるので、振動板１３１の振動が増強される。すなわち、図４に示したように、スピーカユニット１２０とアクチュエータ１４０には、共通のオーディオ信号が入力し、スピーカユニット１２０により発生した低域音による振動板１３１の振動を、アクチュエータ１４０が増強するように作用する。

図５は、スピーカ装置１００の各部から出力される音波の例を示した原理図であり、４０Ｈｚ程度の比較的低域音を出力したときの波形を示す。図５（ａ）は、スピーカユニット１２０の前面から出力される音波の波形を示し、図５（ｂ）は、キャビネット１１０の内部の振動板１３１の振動により発生する音波の波形を示す。図５（ｃ）は、導音空間出口１１３から出力される音波の波形を示す。
図５（ａ）に示すように、スピーカユニット１２０の前面から音波を出力したとき、スピーカユニット１２０の背面から、図５（ａ）に示す波形と逆位相の波形が密閉空間Ｃ１に出力される。

この密閉空間Ｃ１に出力される音波が振動板１３１に伝わることで、振動板１３１が振動する。ここで、密閉空間Ｃ１は、上述したように、振動板１３１の振動により得られる音波の位相と、スピーカユニット１２０の前面から出力される音波の位相とが等しくなるように設計されなければならない。なお、このような条件を満たすことは、密閉空間Ｃ１の容積などから計算で確かめることができるが、スピーカ装置１００から実際に音波を出力させた際の周波数特性の実測値から、密閉空間Ｃ１と導音空間Ｃ２の形成状態が正しいことを確かめることもできる。密閉空間Ｃ１と導音空間Ｃ２とを正しく形成した場合の周波数特性の例（図６）については後述する。

図５（ｂ）に示した破線の波形は、アクチュエータ１４０がない状態で振動板１３１を振動させたときの音波の波形である。振動板１３１にアクチュエータ１４０がないときは、振動板１３１は受動動作を行うだけであるので、図５（ｂ）に破線で示すように振動板１３１が出力する音波は、図５（ａ）に示すスピーカユニット１２０が出力する音波よりレベルが高くなることはない。

ここで本例のスピーカ装置１００は、スピーカユニット１２０に供給するオーディオ信号と同じ信号を振動板１３１に取り付けたアクチュエータ１４０にも供給することで、アクチュエータ１４０が振動板１３１の振動を増強するように作用する。すなわち、図５（ｂ）に破線で示す振動に同期してアクチュエータ１４０が振動することで、振動板１３１が導音空間Ｃ２に出力する音波は、図５（ｂ）に実線で示すように、増強された音波となる。このように振動板１３１で増強された低音が、導音空間Ｃ２に出力される。

そして、振動板１３１が出力する低音は、導音空間Ｃ２内でさらに増強されて、導音空間出口１１３に到達する。図５（ｃ）は、導音空間出口１１３からスピーカ装置１００の外側に出力される音波の波形を示す。導音空間Ｃ２内で低音が増強される原理は、バックロードフォーン型のスピーカ装置として既に知られたものである。但し、振動板１３１の振動はアクチュエータ１４０で増強されているため、導音空間Ｃ２での低音の増強作用がなくても、導音空間出口１１３からは増強された低音が出力される。振動板１３１の振動により出力される音波の波形（図５（ｂ））と、導音空間出口１１３から出力される波形（図５（ｃ））についても、同相となるように導音空間Ｃ２を形成する。

以上説明したように、スピーカユニット１２０から直接外部に出力される音波（図５（ａ）の波形）と、導音空間出口１１３から外部に出力される音波（図５（ｃ）の波形）は、位相が等しくなる。このため、導音空間出口１１３から外部に出力される音波が、スピーカユニット１２０から直接外部に出力される音波の低音を増強するように作用する。仮に、導音空間出口１１３からの音波の位相が、スピーカユニット１２０から出力される音波の位相と逆位相になる場合には、導音空間出口１１３からの音波が、スピーカユニット１２０から出力される音波を打ち消すようになり、音波の増強作用は得られない。本例のスピーカ装置１００では、このようなことがないように設計されている。

図６は、本例のスピーカ装置１００のアクチュエータ１４０をオーディオ信号で駆動した場合の周波数特性（ｆ１）と、スピーカ装置１００のアクチュエータ１４０を駆動しない場合の周波数特性（ｆ２）を比較した図である。図６は、２００Ｈｚよりも下の低域の特性を示す。
図６に示した特性ｆ１，ｆ２を比較すると判るように、約６０Ｈｚよりも下の周波数帯域で、アクチュエータ１４０をオーディオ信号で駆動した特性ｆ１の方が高いゲインとなる。したがって、アクチュエータ１４０をオーディオ信号で駆動することで、低域の再生特性が良好なスピーカ装置が得られることが判る。また、６０Ｈｚよりも上の周波数帯域での特性については、比較的平坦な周波数特性であるが、スピーカ装置として優れた低域の周波数特性を持つことが判る。

また、図６に示した、スピーカ装置１００のアクチュエータ１４０を駆動した場合の特性ｆ１と、アクチュエータ１４０を駆動しない場合の特性ｆ２の比較により、特性ｆ１が特性ｆ２より高いゲインを取るように、密閉空間Ｃ１と導音空間Ｃ２を設計することができる。すなわち、図６に示すように、アクチュエータ１４０の共振周波数である４０Ｈｚの近傍で特性ｆ１と特性ｆ２とを比較すると、アクチュエータ１４０を駆動した特性ｆ１の方がアクチュエータを用いない特性ｆ２よりレベルが高くなっている。このため、スピーカユニット１２０の背面から出た音波で、密閉空間Ｃ１と導音空間Ｃ２との間に配置した振動板１３１が、正しい位相で振動していることが判る。

また、導音空間出口１１３から出力される音波の位相とスピーカユニット１２０の前面から出力される音波の位相とが合っていることが、低域の周波数特性から判る。
もし、導音空間出口１１３から出力される音波の位相とスピーカユニット１２０の前面から出力される音波の位相が逆相である場合には、双方の音波が打ち消しあうように作用する。このような場合には、アクチュエータ１４０の共振周波数である４０Ｈｚの近傍で、スピーカ装置１００の出力レベルが低下する。スピーカ装置１００は、このようなレベルの低下がなく、かつアクチュエータ１４０を駆動しない場合よりも高いレベルの周波数特性ｆ１が得られることで、各空間Ｃ１，Ｃ２の形成状態と振動板１３１の配置状態が正しいことが判る。
なお、図６に示した特性は、周波数特性の一例を示したものであり、アクチュエータ１４０の共振周波数などにより、低域が増強される状態などは変化する。

また、図１〜図４に示したスピーカ装置の構成や、図５および図６に示したスピーカ装置の特性は、一例を示したものであり、本発明は、これらの構成や特性に限定されるものではない。例えばスピーカ装置が、図２に示した形状とは異なる形状の密閉空間Ｃ１や導音空間Ｃ２を持つ形状としてもよい。また、導音空間出口１１３は、図１の例では前面板１１１に配置したが、その他の箇所に導音空間出口を設けてもよい。さらに、キャビネット１１０の内部で振動板１３１を支持する構成を、別の構成としてもよい。

また、振動板１３１に取り付けたアクチュエータ１４０は、図４に示した磁石を振動させるアクチュエータとは異なる構成としてもよい。すなわちアクチュエータは、入力したオーディオ信号により往復動の振動が発生する部材であれば、その他の構成のアクチュエータを使用してもよい。

また、上述した実施の形態の例では、スピーカ装置１００が備えるスピーカユニット１２０は、フルレンジ型のスピーカユニットを使用した。これに対して、例えば数百Ｈｚよりも低い低域音だけを出力するスピーカユニットを使用して、スピーカ装置が、低域音専用のウーファーとして機能するようにしてもよい。

９０…オーディオ信号源、１００…スピーカ装置、１１０…キャビネット、１１１…前面板、１１２…ユニット取付孔、１１３…導音空間出口、１１４…上面板、１１５…底面板、１１６…背面板、１１７，１１８…側面板、１２０…スピーカユニット、１２１…ボイスコイル、１３１…振動板、１３２，１３３…支持部材、１３４…仕切板、１３５…隔壁、１４０…アクチュエータ、１４１…磁石、１４２，１４３…コイル、１４４，１４５…バネ、Ｃ１…密閉空間、Ｃ２…導音空間

Claims

入力したオーディオ信号による音波を出力するスピーカユニットと、
前記スピーカユニットが取り付けられ、前記スピーカユニットの背面から出力される音波が伝わる密閉空間と、前記密閉空間と仕切られた導音空間と、前記導音空間を伝わる音波の出口を有するキャビネットと、
前記キャビネットの前記密閉空間と前記導音空間との間に配置され、３００Ｈｚよりも高い周波数の音波では振動しないように厚さのある板で形成される振動板と、
前記オーディオ信号が供給され、供給されるオーディオ信号に基づいて前記振動板の振動状態を増強するアクチュエータと、
を備え、
前記振動板そのものにより前記密閉空間と前記導音空間とが区切られた状態を確保した上で、前記アクチュエータを前記振動板に取り付けて、前記振動板の振動を増強するようにした
スピーカ装置。
前記密閉空間内を前記スピーカユニットの背面から前記振動板に伝わる音波の位相と、前記導音空間内を前記振動板から前記出口に伝わる音波の位相とを同じ位相とし、
前記スピーカユニットの前面から出力される音波の位相と前記出口から出力される音波の位相を等しくした
請求項１記載のスピーカ装置。
前記アクチュエータの共振周波数を数十Ｈｚとし、この共振周波数の近傍の周波数の音波を増強する
請求項２記載のスピーカ装置。