JP7181046B2

JP7181046B2 - 電気音響変換器用振動板

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Publication number: JP7181046B2
Application number: JP2018195578A
Authority: JP
Inventors: 久美梶原
Original assignee: Foster Electric Co Ltd
Current assignee: Foster Electric Co Ltd
Priority date: 2018-10-17
Filing date: 2018-10-17
Publication date: 2022-11-30
Anticipated expiration: 2038-10-17
Also published as: WO2020080123A1; US11317213B2; US20210385580A1; CN112868245A; EP3869822A4; CN112868245B; EP3869822B1; JP2020065150A; EP3869822A1

Description

この発明は、スピーカやマイクロホン等に用いられる電気音響変換器用振動板に関する。

電気音響変換器用振動板では、一般的に低密度、高ヤング率、適度な内部損失等を有することが求められ、スピーカやマイクロホンの用途に応じ最適な物性を有する材料が適宜選択される。振動板の材料としては種々のものが存在するが、性能面、コスト面などから現在でも天然繊維（セルロース）が多く用いられているが、所望の剛性が得られない場合がある。

そこで、スピーカ用の振動板として、複数の繊維の抄紙体で構成された基材層と、複数のセルロースファイバを含んだ中間層と、複数の無機微粒子で構成された無機紛を含んだコーティング層との三層構造からなる振動板が提案されている（特許文献１）。

特許文献１では、天然繊維よりも密度の高いセルロースファイバを含む中間層を形成し、当該中間層の表面にコーティング層を形成することで、コーティング層の厚みの均一化を図っている。このように、コーティング層の厚みのばらつきを低減することで、振動板の剛性や音速の向上を図っている。また、コーティング層にマイカ等の無機微粒子を含むことで、さらなる剛性や音圧の向上、耐湿性や防湿性の向上も図っている。

国際公開第ＷＯ２０１８／００８３４７号

マイカ等の無機微粒子は繊維との親和性が低いため、特許文献１の振動板のように、コーティング層において熱可塑性樹脂等のコーティング材を用いて無機微粒子を振動板から離れ落ちるのを抑制する場合があるが、樹脂や接着剤等のコーティング材を用いると、振動板の質量が増加して、音圧が低下するという問題がある。また、コーティング材の厚みを均一化するには特許文献１のように中間層を形成する等、工程を追加する必要が生じるため、製造工程が煩雑になるおそれがある。

一方、コーティング材を用いずに無機微粒子を抄紙上に付加するには、繊維と無機粒子との結着力が小さいため、無機粒子が振動板から脱落するおそれがある。また、コーティング材を用いずに、基材に無機粒子を混ぜて抄紙（混抄）することも行われるが、このような場合、比較的高価な無機粒子の使用量が多くなり、コストが増加する。

この発明は上記のことに鑑み提案されたもので、その目的とするところは、コストの増加や製造工程の複雑化を抑制しつつ、振動板としての物性及び音響特性を向上させることができる電気音響変換器用振動板を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係る電気音響変換器用振動板は、セルロースを主とした繊維材料で構成された基材の表層に、当該繊維材料とマイカとセルロースナノファイバとが混在した混在層が形成され、前記混在層の表面は前記セルロースナノファイバの一部で覆われており、前記表面を覆う前記セルロースナノファイバと前記繊維材料との水素結合により前記マイカが前記基材の表層に固着されていることを特徴とする。

上記電気音響変換器用振動板において、前記マイカの粒度は１０μｍ以上５００μｍ以下であってもよい。

また、上記電気音響変換器用振動板において、前記マイカは酸化チタンで被覆されていてもよい。

また、上記電気音響変換器用振動板において、前記セルロースナノファイバの繊維長は５０μｍ以下であってもよい。

また、上記電気音響変換器用振動板において、前記混在層は、前記基材の一方の面側から吸引脱水しながら、前記基材の他方の面に前記マイカと前記セルロースナノファイバとを含有した懸濁液を噴霧することで形成されてもよい。

また、上記電気音響変換器用振動板は、車載用スピーカ用であるとよい。

以上のように本発明によれば、コストの増加や製造工程の複雑化を抑制しつつ、振動板としての物性及び音響特性を向上させることができる。

（ａ）本発明の実施形態に係る電気音響変換器用振動板の斜視図、及び（ｂ）断面図である。振動板断面の模式図である。振動板断面の２００倍の光学顕微鏡写真である。（ａ）基材表面のパルプとマイカと極短繊維のセルロースナノファイバとが混在した混在層を有する振動板の１００倍の走査型電子顕微鏡写真、（ｂ）１０００倍の走査型電子顕微鏡写真、（ｃ）１００００倍の走査型電子顕微鏡写真である。（ａ）基材表面のパルプとマイカと極長繊維のセルロースナノファイバとが混在した混在層を有する振動板の１００倍の走査型電子顕微鏡写真、（ｂ）１０００倍の走査型電子顕微鏡写真、（ｃ）５０００倍の走査型電子顕微鏡写真である。

以下、本発明の実施形態に係る電気音響変換器用振動板について説明する。

図１の（ａ）は本発明の実施形態に係る電気音響変換器用振動板の斜視図であり、（ｂ）はその断面図であり、図２は振動板断面の模式図であり、図３は振動板断面の光学顕微鏡写真であり、図４の（ａ）は基材表面のパルプとマイカと極短繊維のセルロースナノファイバとが混在した混在層を有する振動板の１００倍の走査型電子顕微鏡写真、（ｂ）は１０００倍の走査型電子顕微鏡写真、（ｃ）は１００００倍の走査型電子顕微鏡写真であり、図５の（ａ）は基材表面のパルプとマイカと極長繊維のセルロースナノファイバとが混在した混在層を有する振動板の１００倍の走査型電子顕微鏡写真、（ｂ）は１０００倍の走査型電子顕微鏡写真、（ｃ）は５０００倍の走査型電子顕微鏡写真である。

図１（ａ）（ｂ）に示す振動板１（電気音響変換器用振動板）は、スピーカ用の振動板でありコーン状（円錐台状）をなしている。当該振動板１は径の小さい開口側が図示しないボイスコイル等のスピーカの振動源に取り付けられる。この振動板１の円錐部分の内面が音の放射面（前面）となり、外部から視認可能な面となる。一方、振動板１の円錐部分の外面（背面）側には図示しないスピーカの各種装置が配置される。

振動板１は、セルロースを主とした繊維材料で構成された基材１０の前面側表層に、当該繊維材料とマイカとセルロースナノファイバ（ＣＮＦ）とが混在した混在層１１が形成されている。

詳しくは、基材１０は叩解度１０°ＳＲ以上５０°ＳＲ以下で叩解したパルプ２０（繊維材料）を調液し、振動板形状に抄紙したものである。本実施形態のパルプ２０は、針葉樹を原料としたパルプと、ケナフを原料としたパルプとを混合したものである。この他にも、パルプ２０として、木材パルプ又は非木材パルプ等のパルプを用いることができ、その他の木材パルプと非木材パルプとの混合したもの、木材パルプ単体や非木材パルプ単体を用いてもよい。また、パルプ２０の平均繊維径（最大幅）は５μｍ以上９０μｍ以下が好ましい。なお、パルプ２０の繊維長は特に限定されるものではなく、一般的な抄紙に用いられる繊維長のものを適宜選択できる。

基材１０の表層に形成された混在層１１では、図２に詳しく示すように、パルプ２０とセルロースナノファイバ２１とが互いにセルロースを有するため、セルロース同士の水素結合が生じて、基材１０の表面（前面）をセルロースナノファイバ２１が覆っている。なお、一部のセルロースナノファイバ２１は、パルプ２０間の隙間にも入り込んでおり、図２の模式図に示す例では、基材１０の最表面から深さ方向にパルプ２０の１～３つ分まで至っている。

マイカ２２はセルロースナノファイバ２１同士の水素結合によりセルロースナノファイバ２１で覆われており、さらにこの表面を覆うセルロースナノファイバ２１と基材１０のパルプ２０との水素結合により基材１０の表層に固着されている。また、例えば、図２に示すように一部のマイカ２２はパルプ２０同士の隙間にも入り込んだ上で、セルロースナノファイバ２１に覆われている。なお、マイカ２２を覆うセルロースナノファイバ２１の厚みは十分に薄いので、外観からセルロールナノファイバ２１を通してマイカ２２を容易に識別することが可能である。

なお、図２は振動板１の表層のイメージ図であり、図２ではパルプ２０、セルロースナノファイバ２１、及びマイカ２２の関係をわかりやすくするために各要素を実際の寸法よりも誇張して示しているが、実際は図３に示すように基材１０の厚みが平均０．２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であるのに対し、混在層１１の厚みは基材１０の１０％程度の平均０．０２ｍｍ以上０．０４ｍｍ以下である。なお、図３では、基材１０の混在層１１を識別しやすくするため、基材１０のパルプ２０は染色せずに、セルロースナノファイバ２１のみを黒色で染色している。

また、図４（ａ）～（ｃ）、図５（ａ）～（ｃ）に示すように、基材１０表面全域に亘ってセルロースナノファイバ２１が堆積しており、その中にマイカ２２が点在している。また、図４（ｂ）、（ｃ）、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、マイカ２２の表面にはセルロースナノファイバ２１が堆積し、マイカ２２の表面はセルロールナノファイバ２１で覆われている。さらに、基材１０の表面のパルプ２０同士の隙間は、マイカ２２とセルロースナノファイバ２１とにより覆われている。

混在層１１は、抄紙された基材１０の背面（一方の面）側から吸引脱水しながら、基材１０の表面（他方の面）に、例えばスプレー塗布法によってマイカ２２とセルロースナノファイバ２１とを含有した懸濁液を噴霧することで、基材１０の表層にマイカ２２とセルロースナノファイバ２１とを浸透させて（入り込ませて）形成すればよく、その後、熱プレス等による成形・乾燥工程を経て、混在層１１を有する振動板１が作製される。このように基材１０の背面側から吸引脱水された状態で、基材１０の前面にマイカ２２とセルロースナノファイバ２１との懸濁液が噴霧されて基材１０に塗布されることで、基材１０のパルプ２０同士の配列を懸濁液の水分により乱すことなく、基材１０の表層にマイカ２２とセルロースナノファイバ２１とを円滑に着地させ、パルプ２０とマイカ２２とセルロースナノファイバ２１とが混在する混在層１１を薄く均一に形成することができる。これにより、多量のマイカ２２により層を形成することなく、振動板１におけるマイカ２２の含有量を少なくすることができ、振動板１の質量の増加を抑制することができる。また、マイカ２２とセルロースナノファイバ２１の一部をパルプ２０同士の隙間に入り込ませることができるので、基材１０とマイカ２２との密着性を高めてマイカ２２を基材１０に強固に固着できる。

セルロースナノファイバ２１は、繊維径がナノレベルの繊維であり、パルプ２０よりも繊維径が小さい。セルロースナノファイバ２１は例えば針葉樹由来であり、平均繊維長が５０μｍ以下で、平均繊維径が１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下のものを用いるのが好ましい。なお、セルロースナノファイバ２１は針葉樹由来の繊維に限られず、その他のセルロースを含む繊維が用いられる。セルロースナノファイバ２１は繊維長が短くなるほど、パルプ２０からなる基材１０の表層やマイカ２２の表面にてセルロースナノファイバ２１を高密度で薄く且つ均一に堆積させることができる。これにより基材１０とマイカ２２との密着性を高めマイカ２２をより確実に基材１０に固着することができる。また、セルロースナノファイバ２１の繊維長が短いほど、基材１０やマイカ２２の表面を薄く覆うことができ、セルロースナノファイバ２１の使用量を抑えてコストを削減できる。さらにセルロースナノファイバ２１の繊維長が短いほど、平滑で均一、高密度の混在層１１を形成できる。

マイカ２２は、小さすぎるとマイカ２２を識別し難くなり、大きすぎると質感が粗くなり振動板１の意匠性を悪化させるおそれがあるため、粒度１０μｍ以上５００μｍ以下が好ましい。なお、マイカ２２は天然マイカでも、合成マイカでもよい。さらにマイカ２２は、酸化チタンや酸化鉄等で被覆され光沢を有するものが、振動板１の意匠性を向上させるのに好ましい。

マイカ２２とセルロースナノファイバ２１との質量に基づく配合比（マイカ含有割合／セルロースナノファイバ含有割合）は２／９８以上２０／８０以下が好ましく、５／９５以上１０／９０以下がより好ましい。マイカ２２とセルロースナノファイバ２１との配合比を２／９８以上２０／８０以下とすることで、セルロースナノファイバ２１によりマイカ２２の表面を均一に覆った状態で基材１０の表層にマイカ２２とセルロースナノファイバ２１とを薄く堆積できる。したがって、マイカ２２とセルロールナノファイバ２１の使用量を少なくできる。そして、薄く形成された混在層１１により、振動板１のヤング率を上昇させ、振動板１の音速を上昇できるとともに、振動板１全体の内部損失（tanδ）の低下を抑制できる。さらに好適には、マイカ２２とセルロースナノファイバ２１との配合比を５／９５以上１０／９０以下とすることで、振動板１の物性及び音響性能を向上できるとともに、振動板１の前面にマイカ２２を均一に点在させることができ、振動板１の外観意匠性を向上できる。

また、基材１０を構成するパルプ２０と、マイカ２２及びセルロースナノファイバ２１との質量に基づく配合比（パルプ含有割合／マイカ及びセルロースナノファイバ含有割合）は１／９９以上８／９２以下が好ましく、さらに２／９８以上５／９５以下とすることがより好ましい。配合比を１／９９以上８／９２以下とすることで、振動板１のヤング率を向上させるとともに、内部損失の低下を抑制でき、物性及び音響性能に優れた振動板１を形成できる。さらに２／９８以上５／９５以下にすることで、ヤング率と内部損失とのバランスに優れた振動板１を形成できる。

また、振動板１は、基材１０の表層のパルプ２０間の隙間がマイカ２２及びセルロースナノファイバ２１により埋められることで通気性を低減できるので、振動板１の音圧の向上、さらに耐水性の向上を図ることができる。また、この振動板１を用いたスピーカは、水分が振動板１を通じてスピーカ内部に浸入することを防止できる。したがって、振動板１は、車載用スピーカ用として好適に使用できる。なお、混在層１１はパルプ２０同士の隙間がマイカ２２とセルロールナノファイバ２１とにより埋められており、密度が高くなっているため、マイカ２２とセルロースナノファイバ２１との懸濁液中にエマルジョン系フッ素の撥水剤等の防水剤を混合した場合に、混在層１１に防水剤が定着しやすい。このため、防水剤により振動板１の前面において水分を弾くことができ、高い防水効果が得られる。さらに、基材１０の抄紙の際にパルプ２０と防水剤とを混合し、基材１０に防水処理を施すこともでき、この場合にはより高い防水効果が得られる。

このように構成された振動板１は、樹脂や接着剤等のコーティング材を使用することなく、マイカ２２の表面をセルロールナノファイバ２１で覆い、セルロールナノファイバ２１同士の水素結合と、基材１０のパルプ２０とセルロースナノファイバ２１との水素結合とにより、マイカを基材１０に固着している。セルロースナノファイバ２１はコーティング材よりも比重が軽いため、コーティング材によりマイカ２２を固着するよりも質量の増加を抑えることができ、繊維との親和性が低いマイカ２２を確実に基材１０に固着した振動板１を形成できる。また、特に中間層等を形成する必要なく、基材１０にマイカ２２とセルロースナノファイバ２１との懸濁液を噴霧する容易な工程のみで製造することができる。そして、マイカ２２が基材１０の表面に固着されることで、振動板１の物性及び音響性能を向上させることができる。

以上のことから、本実施形態に係る振動板１は、コストの増加や製造工程の複雑化を抑制しつつ、振動板としての製品品質及び音響特性を向上させることができる。

（実施例）
以下、本発明に係る音響変換器用振動板の実施例と従来の振動板からなる比較例との物性比較結果及び通気性比較結果について表１、表２を参照しつつ説明する。

比較例はパルプからなる基材のみの振動板試料を用い、実施例１～４は基材の表層に基材のパルプとマイカ（Ｍｉｃａ）とセルロースナノファイバ（ＣＮＦ）とが混在した混在層を形成した振動板試料を用いている。

各振動板試料は寸法が長さ４０ｍｍ、幅５ｍｍで、試料全体質量（坪量）が一定（±２％以内）となるように作製した。具体的には、実施例１～４の振動板試料は、抄紙網で基材繊維を抄紙後、基材の背面側から吸引脱水しながら、基材の前面にマイカとセルロースナノファイバとの懸濁液を噴霧し、その後１３０℃に加熱した金型によりプレス圧力３５０ｋｇｆでプレスして乾燥成形し、平抄紙シートを作成し、試料サイズにカットしたものである。

比較例及び実施例１～４の基材は、パルプとしてＮＵＫＰ５０％とケナフ５０％を混合し、叩解度２０°ＳＲで叩解したものを用いた。

実施例１、２のセルロースナノファイバは極短繊維セルロースナノファイバ（株式会社スギノマシン製のＢｉＮＦｉ‐ｓＦＭａ１００１０）を使用し、実施例３、４のセルロースナノファイバは極長繊維セルロースナノファイバ（株式会社スギノマシン製のＢｉＮＦｉ‐ｓＩＭａ１０００５）を使用した。なお、極短繊維セルロールナノファイバ及び極長繊維セルロースナノファイバは、いずれも平均繊維径が１０ｎｍ～５０ｎｍである。また、これらのセルロールナノファイバについて光学顕微鏡で観察したところ、極短繊維セルロースナノファイバの平均繊維長が１μｍ以下であり、極長繊維セルロースナノファイバの平均繊維長が５０μｍ以下であった。また、実施例１～４のマイカは、粒度が２０μｍ～１００μｍのもので、天然マイカを基盤として酸化チタン、酸化鉄を被覆して光沢を付与したもの（日本光研工業株式会社製のＭＳ‐１００Ｒ）を使用した。実施例１～４において、マイカとセルロースナノファイバとの質量に基づく配合比はいずれもマイカ５：セルロースナノファイバ９５である。

基材（パルプ）とマイカ及びセルロースナノファイバとの質量に基づく配合比は、実施例１、３が９８：２であり、実施例２、４が９５：５である。

これらの比較例及び実施例１～４の振動板試料を振動リード法により測定した物性（ヤング率、音速、比曲げ剛性、内部損失）を下記表１に示す。

表１から明らかなように、実施例１～４は、基材表面にマイカを固着することで、比較例と比べてヤング率が顕著に上昇している。一方で、内部損失（tanδ）の減少量は抑制されている。具体的には、比較例に対して、実施例１はヤング率が約１０％上昇したのに対して内部損失の減少量は約３％に抑えられている。同じく、実施例２はヤング率が約１８％上昇したのに対して内部損失は約４％減少し、実施例３はヤング率が約１３％上昇したのに対して内部損失は約２％減少し、実施例４はヤング率が約２２％上昇したのに対して内部損失は約４％減少している。

音速に関しても、比較例に対して、実施例１は約３％、実施例２は約７％、実施例３は約６％、実施例４は約９％、それぞれ上昇している。比曲げ剛性に関しては、比較例に対して、実施例１は約０．５％、実施例２、３は約４％、実施例４は約６％、それぞれ上昇している。

次に、比較例及び実施例１～４の振動板試料をガーレ式通気度試験機にて通気度を測定した結果を下記表２に示す。なお、通気度は１００ｃｃの空気が一定の圧力で試料を通過する通気時間である。

表２から明らかなように、実施例１～４は基材表面をマイカとセルロースナノファイバが覆い、マイカが固着されていることで、比較例と比べて通気度が上昇、即ち通気しにくくなっている。この効果は、極短繊維のセルロースナノファイバよりも極長繊維のセルロースナノファイバを用いた場合の方が顕著であり、且つ基材のパルプに対するマイカ及びセルロースナノファイバの配合比（質量比）が高いほど通気度は上昇する傾向にある。つまり、基材のパルプ間の隙間をマイカとセルロースナノファイバが埋めることで通気しにくくなり、振動板の耐水性を向上させることができる。

以上で本発明の実施形態及び実施例の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態及び実施例に限定されるものではない。

上記実施形態及び実施例では、振動板１の形状をコーン状としていたが、振動板の形状はその他の形状のものであってもよい。また、基材の前面側だけでなく背面側に形成されていてもよい。

１電気音響変換器用振動板
１０基材
１１混在層
２０パルプ（繊維材料）
２１セルロースナノファイバ
２２マイカ

Claims

セルロースを主とした繊維材料で構成された基材の表層に、当該繊維材料とマイカとセルロースナノファイバとが混在した混在層が形成され、前記混在層の表面は前記セルロースナノファイバの一部で覆われており、前記表面を覆う前記セルロースナノファイバと前記繊維材料との水素結合により前記マイカが前記基材の表層に固着されていることを特徴とする電気音響変換器用振動板。
前記マイカの粒度は１０μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の電気音響変換器用振動板。
前記マイカは酸化チタンで被覆されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気音響変換器用振動板。
前記セルロースナノファイバの繊維長は５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電気音響変換器用振動板。
前記混在層は、前記基材の一方の面側から吸引脱水しながら、前記基材の他方の面に前記マイカと前記セルロースナノファイバとを含有した懸濁液を噴霧することで形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電気音響変換器用振動板。
車載用スピーカ用であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電気音響変換器用振動板。