JP6458276B2 - ボイスコイル、電気音響変換器、ヘッドホンおよび振動板 - Google Patents

Description

本発明は、ボイスコイル、同ボイスコイルを備える電気音響変換器およびヘッドホン、ならびに振動板に関するものである。

従来のダイナミック型の電気音響変換器、例えばスピーカーやヘッドホンなどは、振動板に固定されたコイル（ボイスコイル）を磁気回路内の磁気ギャップに配置し、このボイスコイルに電気信号を流すことで振動板を振動させて音波を出力する。ボイスコイルに流される電気信号は、いわゆるアナログ信号である。したがって、このアナログ信号の強弱や周波数に応じて振動板が駆動されて、音波が出力される。音源装置から出力される信号がデジタル信号であったとしても、音源装置と電気音響変換器との間に「デジタル−アナログ変換装置」を配置して、デジタル信号をアナログ信号に変換しなければ、音源装置からの信号を音波として出力することはできなかった。

近年、音源装置から出力されるデジタル信号をアナログ信号に変換することなく、デジタル信号のまま直接的にボイスコイルに印加しても、所望する音波が出力されるようにできる信号変換装置が開発されている。（例えば、特許文献１を参照）。

特許第４８８３４２８号明細書

特許文献１のような信号変換装置を応用した電気音響変換器は、１つの振動板に複数のボイスコイルを用いる。なお、ボイスコイルのそれぞれには、個別のデジタル信号が印加される。

一般にボイスコイルは、単線の導体線（銅線、アルミ線など）をコイル状に形成したものである。導体線の巻き数を増やすことで振動板の駆動力を増加させることができる。導体線の巻き方には複数の種類があり、たとえば、複数の導体を並べて巻く「平巻き」や、複数の導体を内側から外側に順次重ねて巻く「重ね巻き」などが知られている。

振動板の駆動力は、ボイスコイルと磁気ギャップ内の磁束との関係で決まる。より多くの導体線を磁束内に配置できれば、駆動力は増加し、入力信号に対する再生能力は高まる。限られた磁気ギャップの空間内に、平巻きによって形成したボイスコイルを用いる場合、巻き数管理やインピーダンス成分の調整は容易であるが、磁気キャップ内の導体線を増やしにくく、巻き幅を大きくするのは困難である。また、重ね巻きによってボイスコイルを形成した場合、巻き幅の調整は容易になるが、外側に巻かれる導体線と内側に巻かれる導体の導体線の長さが異なる。これによって直流抵抗成分にバラツキが生ずる。これを調整するためには、内側と外側の巻き数を調整する巻き数管理が複雑になる。

また、１本の導体線を用いてコイルを形成する場合と複数の導体線を用いてコイルを形成する場合を比較すると、仮に、それぞれの直流抵抗成分を同じ大きさに調整しようとした場合、後者のコイルの方が、インダクタンス成分が低くなる。

１つの振動板に対して複数のボイスコイルを用いる電気音響変換器において、従来のようなボイスコイルを用いると、入力信号における高域成分の増加に伴ってインピーダンスが増加する。これによって、振動板の駆動力が低下する。また、入力信号に高域成分が多くなると表皮効果が生じて実効断面積が減少し、直流抵抗成分が増加することになる。インピーダンスの増加や直流抵抗成分の増加は、入力信号に対する再生能力を低下させる要因になる。

特許文献１のような信号変換装置を応用した電気音響変換器では、ボイスコイルに流される信号はデジタル信号である。デジタル信号は、信号波形が矩形であるから、高調波成分をアナログ信号よりも多く含む。すなわち、従来のようにアナログ信号に対応するボイスコイルをそのまま転用した場合、特に高域成分の再生能力が低下する。また、複数のボイスコイルを１つの振動板に配置するため、従来の平巻きや重ね巻きなどでは、巻き幅が広くなりすぎたり、巻き数管理がより複雑になる。これによって、高域における駆動力の低下を抑止するようなボイスコイルを得ることは困難であった。

本発明は、複数のボイスコイルを１つの振動板に配置してなる電気音響変換器に用いられるボイスコイルにおいて、小型で振動板の駆動力を十分に確保しつつ、高域の再生能力も向上させることができるボイスコイル及び、同ボイスを備える電気音響変換器を提供することを目的とする。

本発明は、
磁気回路内に配置され、入力される複数のデジタル信号に応じて１つの振動板を駆動させて音波を出力するデジタル駆動式のダイナミック型ヘッドホンの電気音響変換器に用いるボイスコイルであって、
前記複数のデジタル信号がそれぞれ個別に入力される複数の導体線を有し、
前記複数の導体線は、同じ巻き数、同じ導体長さ、同等の巻線幅であり、
前記複数の導体線を撚り合わせてなる１本の撚り線が巻かれことにより形成され、
前記各導体線の両端は剥離されてそれぞれ信号ケーブルと渡りケーブルの正極入力線と負極入力線に接続されることを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、小型で振動板の駆動力を十分に確保しつつ、高域の再生能力も向上させることができる。

本発明に係る電気音響変換器の例を示す斜視図である。 上記電気音響変換器が備える駆動ユニットの例を示す断面斜視図である。 上記駆動ユニットが備えるボイスコイルの例を示す斜視図である。 上記ボイスコイルの一部を拡大した拡大斜視図である。 上記電気音響変換器の構造の例を示す機能ブロック図である。

以下、本発明に係るボイスコイル、電気音響変換器およびヘッドホンの実施形態について図面を参照しながら説明する。

●電気音響変換器
図１に示すように、電気音響変換器を備えるヘッドホン１００は、後述するダイナミック型の電気音響変換器であるドライバユニット１０が組み込まれているヘッドホンユニット１０１を左右一対に有してなる。ヘッドホンユニット１０１はそれぞれ、長手方向に湾曲しているヘッドパッド１０３の両端に連結されている支持部１０２に保持されている。ヘッドホンユニット１０１は、使用者の耳周辺に接触するイヤパッド１０７と、イヤパッド１０７が取り付けられるハウジング１０６と、を有してなる。イヤパッド１０７の接触面の外形は、使用者の耳の周囲を覆うことができるように略長円状になっている。ハウジング１０６の外形も、イヤパッド１０７に倣って略長円状になっている。なおハウジング１０６、イヤパッド１０７の形状は上記略長円状には限らない。これらの形状は従来から用いられている略円形でも良く、多角形であってもよい。

ハウジング１０６の内部には、電気信号を音波に変換して出力するドライバユニット１０が配置されている。図２は、ヘッドホンユニット１０１が備えるドライバユニット１０を音波の出力方向である前方向から見た断面斜視図である。

図２に示すように、ドライバユニット１０は、駆動部として磁界を発生させる磁気回路を構成する磁石１１と、磁石１１による磁界内に設けられた磁気ギャップに配置されるボイスコイル１２と、ボイスコイル１２が取り付けられている振動板１３と、を有してなる。ボイスコイル１２は、入力される電気信号に応じて前後方向に駆動して振動板１３を振動させる。なお、ドライバユニット１０の前方には、振動板１３などを保護して音声を通過させる孔が複数設けられているプロテクタ１４が配置されている。

ドライバユニット１０は、バッフル２０に保持されている。このバッフル２０を介してドライバユニット１０はハウジング１０６の内部に固定される。バッフル２０の表面（前面）には、第１音響フィルタ２２、あるいは第２音響フィルタ２３などが取り付けられている。

図１に戻る。支持部１０２には、内部空間が形成されていて、後述する信号処理回路２０１がこの内部空間に収められている。なお、信号処理回路２０１は、左右一対のハウジング１０６のうち一方の支持部１０２の内部空間にのみ収められている。信号処理回路２０１が収められている支持部１０２の下端部には、音源からの信号入力線である第１信号線（接続ケーブル５１）が接続されるインターフェースが設けられている。

左右のハウジング１０６を保持する左右の支持部１０２は、互いにヘッドパッド１０３を介して繋がっている。また、左右の支持部１０２は、バネ性を有する湾曲バー１０４を介して繋がっている。湾曲バー１０４は、その両端部が支持部１０２の前方側の上端部と後方側の上端部に取り付けられている。この湾曲バー１０４によって、ヘッドホン１００を使用するときの側圧が与えられる。このとき、湾曲バー１０４がヘッドバンドとしての機能も併せ持つ。なお、本実施形態においては、この湾曲バー１０４に後述する第２信号線が収納される。また、湾曲バー１０４の代わりにヘッドパッド１０３にバネ性を持たせて側圧を与えるように構成してもよい。このとき、ヘッドパッド１０３がヘッドバンドとしての機能も併せ持つ。

ここで、ヘッドホン１００が備えるヘッドホンユニット１０１の機能について説明する。図５に示すように、ヘッドホンユニット１０１は、信号処理回路２０１とドライバユニット１０とを有してなる。すでに説明をしたとおり、ドライバユニット１０は、磁気ギャップ内に配置されるボイスコイル１２と、ボイスコイル１２に電気信号を印加したときに、印加された電気信号に応じて振動する振動板１３と、を有してなる。

この振動板１３の振動によって、電気信号が音波に変換されて出力される。ドライバユニット１０に印加される信号はデジタル信号であって、１つの振動板１３に対して複数のボイスコイル１２が固定されている。

ボイスコイル１２に印加されるデジタル信号は、通常の音源装置５０から出力されるデジタル信号に対して、所定の変調処理（信号変換処理）が施されたデジタル信号である。音源装置５０から出力されるデジタル信号がＰＣＭ信号であっても、駆動ユニット１０においてボイスコイル１２に印加されるデジタル信号は、同じ信号形式ではない。ボイスコイル１２に印加されるデジタル信号は、例えば、パルス密度変調（ＰＤＭ）信号である。以下、ボイスコイル１２に印加されるデジタル信号は同様の信号形式である。

信号処理回路２０１は、第１信号線である接続ケーブル５１を介してデジタル音源である音源装置５０と接続されている。信号処理回路２０１が配置される側のドライバユニット１０は、信号ケーブル５３を介して信号処理回路２０１と電気的に接続されている。信号処理回路２０１が配置されない側のドライバユニット１０は、ヘッドパッド１０３に沿って配置される配線である渡りケーブル５２を介して信号処理回路２０１と電気的に接続されている。

ドライバユニット１０が備えるボイスコイル１２は、例えば４個のコイルから構成されていて、これらが１つの振動板１３に固定されている。コイルのそれぞれには、信号処理回路２０１で処理された複数のデジタル信号が個別に印加される。言い換えれば、それぞれのコイルには、異なるデジタル信号が入力されている。信号処理回路２０１とコイルを接続する信号線は、１つのコイル当たり２本引き出されている。１本が正極入力線であり、もう一本が負極入力線である。この正極入力線と負極入力線が１対として１つのコイルに対する信号ケーブル５３および渡りケーブル５２を構成する。

●ボイスコイル
次に、本発明に係るボイスコイルの実施形態について説明する。図３は、ドライバユニット１０が備える振動板１３とボイスコイル１２のみを示す斜視図である。図３に示すように、ボイスコイル１２は、円形の振動板１３の中央付近に配置されていて、巻き芯１２２に導体線を巻きつけて構成されている。

ボイスコイルワイヤー１２１を構成する導体線は、銅線やアルミ線などの導体に絶縁処理が施された線材からなり、ボイスコイルワイヤー１２１は、上記複数の導体線を撚り合わせて構成された撚り線構造からなる。すでに説明したとおり、ボイスコイル１２は４個のコイルから構成される。そこで、ボイスコイルワイヤー１２１として４本の導体線を撚り合わせた撚り線を用いる。このボイスコイルワイヤー１２１を巻き芯１２２に巻き付けてボイスコイル１２を構成する。

従来のコイルであれば、用いる導体線は単線である。しかし、本実施形態に係るボイスコイル１２は、信号処理回路２０１からの各デジタル信号が個別に入力されるコイルのそれぞれにおいて、同等の駆動力を生じさせる必要がある。そこで、ボイスコイル１２は、複数のコイルが同じ巻き数、同じ導体線長からなり、巻線幅も同等になるように構成されている必要がある。

そこで、コイル数に相当する導体線を撚り合わせて構成されるボイスコイルワイヤー１２１を用いてボイスコイル１２を構成する。

ボイスコイルワイヤー１２１の両端は、コイル引き出し線になっていて、撚り合わせられている導体線の先端を剥離させて４つに分離させている。各端部は、それぞれ信号ケーブル５３または渡りケーブル５２の正極入力線、負極入力線と接続される。これによって、ボイスコイル１２に含まれる４つのコイルのそれぞれに、異なるデジタル信号が入力されるようになる。本実施形態において、ボイスコイル１２に含まれる４つのコイルのそれぞれに入力されるデジタル信号の組み合わせにより、振動板１３が駆動し、音波が放出される。このとき、振動板１３の振幅の大きさや振動の周波数は。４つのコイルのそれぞれに入力されるデジタル信号の組み合わせによって制御される。このような制御により、振動板１３はデジタル信号を振動に変換して、空間に音波を放出する。

図４に示すようにボイスコイル１２は、巻き芯１２２にボイスコイルワイヤー１２１を「重ね巻き」して形成されている。この巻き芯１２２を接着材１３１によって薄い膜状であって外形が円形をなす振動板１３の中央部に固定することで、ボイスコイル１２の周縁部分は、振動板１３の外周から均等の距離になるように配置される。本実施形態では、ボイスコイルワイヤー１２１を２段に重ねて巻いているが、これに限られるものではない。

また、４本のボイスコイルワイヤー１２１を撚り合わせた導体線を用いてボイスコイル１２を形成しているが、２本のボイスコイルワイヤー１２１を撚り合わせたものを更に２つ撚り合わせたボイスコイルワイヤー１２１を用いてもよい。

なお、４本のボイスコイルワイヤー１２１を撚り合わせた導体を用いて形成するボイスコイル１２のインピーダンスは、１本の導体を用いて形成した場合のものと同じインピーダンスになるように調整する。

●効果
上記のボイスコイル１２によれば、ボイスコイルワイヤー１２１を４本の導体の撚り線構造にすることで、インダクタンス成分の上昇を抑えることができる。また、表皮効果も低下させることができる。これによって、高域の信号の再生を妨げる要素を排除することができる。特に高周波成分を有するデジタル信号（矩形波）による駆動方式において、音の再現性が向上する。

インダクタンス成分の上昇を抑え、かつ、表皮効果を低下させることで、従来から知られているボイスコイル構造よりも、高域成分の再生能力を向上させることができる。また、ボイスコイルワイヤー１２１を撚り線構造にすることで、各導体の線間結合が強くなり、線間剥離も防止することができる。そのため、ボイスコイル１２を構成するそれぞれのコイルに製造上のばらつきがなくなる。また、ボイスコイル１２を構成するそれぞれのコイルに異なるデジタル信号を印加しても、全てのコイルの特性が同等であるため、音の再現性に優れたデジタル駆動の電気音響変換器（トランスデューサ）が実現できる。

１０ ドライバユニット
１２ ボイスコイル
１３ 振動板
１００ ヘッドホン
１０１ ヘッドホンユニット
１２１ ボイスコイルワイヤー

Claims (3)

1. 磁気回路内に配置され、入力される複数のデジタル信号に応じて１つの振動板を駆動させて音波を出力するデジタル駆動式のダイナミック型ヘッドホンの電気音響変換器に用いるボイスコイルであって、
   前記複数のデジタル信号がそれぞれ個別に入力される複数の導体線を有し、
   前記複数の導体線は、同じ巻き数、同じ導体長さ、同等の巻線幅であり、
   前記複数の導体線を撚り合わせてなる１本の撚り線が巻かれることにより形成され、
   前記各導体線の両端は剥離されてそれぞれ信号ケーブルと渡りケーブルの正極入力線と負極入力線に接続される、
   ことを特徴とするボイスコイル。
2. 振動板と、
   前記振動板に固定されるボイスコイルと、
   を有する、デジタル駆動式のダイナミック型ヘッドホンの電気音響変換器あって、
   前記ボイスコイルは、請求項１記載のボイスコイルである、電気音響変換器。
3. 左右一対のドライバユニットと、
   長手方向に湾曲し、両端部に前記ドライバユニットを有するヘッドバンドと、
   前記ヘッドバンドに沿って前記ドライバユニットのそれぞれに組み込まれる配線によって前記電気音響変換器を電気的に接続するデジタル駆動式のダイナミック型ヘッドホンであって、
   前記電気音響変換器は、請求項２記載の電気音響変換器である、
   ことを特徴とするヘッドホン。

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