ダイナミックスピーカードライバー

ダイナミック型スピーカードライバーは、その種類が暗黙的に示される場合は単にスピーカードライバーと呼ばれることが多いが、電気的なオーディオ信号を音波に変換する個別のトランスデューサーである。この用語はスピーカー（拡声器）という用語と同じ意味で使用されることもあるが、通常は可聴周波数範囲の一部のみを再生する特殊なトランスデューサー、または拡声器キャビネット（または単に「スピーカー」）内の 1 つ以上のドライバーを指す。音を忠実に再生するために、多くの場合、複数の拡声器が同じ筐体内に取り付けられ、それぞれが可聴周波数範囲の異なる部分を再生する。この場合、個々のスピーカーはドライバーと呼ばれ、ユニット全体は拡声器と呼ばれる。高音域のオーディオ再生用に作られたドライバーはツイーター、中音域用のドライバーはミッドレンジドライバー（あまり一般的ではないがスクワーカーと呼ばれる）、低音域用のドライバーはウーファー、超低音域用のドライバーはサブウーファーと呼ばれる。あまり一般的ではないタイプのドライバーとしては、スーパーツイーターとロータリーウーファーがあります。

スピーカーで電流を音波に変換する最も広く使われている電気音響機構は、1925年にエドワード・W・ケロッグとチェスター・W・ライスによって発明されたダイナミックまたはエレクトロダイナミックドライバーで、ボイスコイルと呼ばれるコイル状のワイヤーを磁石の極の間に吊り下げて音を作ります。他にも、静電ドライバー、圧電ドライバー、 平面磁気ドライバー、ハイルエアモーションドライバー、イオンドライバーなど、あまり広く使われていない スピーカー設計もあります。^[1]

最も一般的なタイプのドライバーは、一般にダイナミックスピーカーと呼ばれ、軽量の振動板またはコーンを使用します。この振動板は、一般にスパイダーと呼ばれる柔軟なサスペンションを介して剛性バスケットまたはフレームに接続され、ボイスコイルが円筒形の磁気ギャップを軸方向に移動するように制限します。コーンの中央に接着された保護ダストキャップは、ほこり、特に強磁性の破片がギャップに入り込むのを防ぎます。

ボイスコイルに電気信号が加えられると、ボイスコイル内の電流によって磁場が生成され、ボイスコイルは可変電磁石になります。コイルとドライバーの磁気システムはソレノイドに似た方法で相互作用し、コイル（および取り付けられたコーン）を動かす機械的な力を生成します。交流電流を流すとコーンが前後に動き、アンプから送られる電気信号の制御下で音が加速および再生されます。

以下は、このタイプのスピーカーの個々のコンポーネントの説明です。

振動板は通常、円錐形またはドーム形のプロファイルで製造されます。さまざまな異なる材料を使用できますが、最も一般的なのは紙、プラスチック、金属です。理想的な材料は、制御されていないコーンの動きを防ぐために剛性があり、始動時の力要件とエネルギー貯蔵の問題を最小限に抑えるために質量が小さく、使用方法によって決まる共振周波数による可聴リンギングがほとんどまたはまったくなく、信号が停止した後も振動が続くのを減らすために十分に減衰されていることです。実際には、既存の材料を使用してこれら 3 つの基準すべてを同時に満たすことはできません。したがって、ドライバーの設計にはトレードオフが伴います。たとえば、紙は軽く、通常は十分に減衰されますが、硬くありません。金属は硬くて軽いかもしれませんが、通常は減衰が貧弱です。プラスチックは軽いかもしれませんが、通常は硬くなるほど減衰が貧弱になります。結果として、多くのコーンは何らかの複合材料で作られています。たとえば、コーンはセルロース紙で作られ、それにカーボンファイバー、ケブラー、ガラス、麻、または竹の繊維が追加されている場合があります。あるいは、ハニカムサンドイッチ構造が使用される場合や、追加の剛性や減衰を提供するためにコーティングが適用される場合もあります。

シャーシ、フレーム、またはバスケットは剛性が高く、変形して磁石の隙間との重要な位置合わせが崩れ、隙間の周りの磁石とボイスコイルが擦れてしまうのを防ぐように設計されています。シャーシは通常、重い磁石構造のスピーカーではアルミニウム合金から鋳造され、軽い構造のドライバーでは薄い鋼板から打ち抜かれます。 ^[2]成形プラスチックや減衰プラスチック複合バスケットなどの他の材料は、特に安価で低質量のドライバーで一般的になりつつあります。金属製のシャーシは、ボイスコイルから熱を逃がす上で重要な役割を果たします。動作中の加熱により抵抗が変化し、物理的な寸法変化を引き起こし、極端な場合はボイスコイルのワニスが焼けてしまいます。永久磁石の磁化が失われることもあります。

サスペンション システムは、コイルをギャップの中央に保ち、移動後にコーンをニュートラル位置に戻す復元 (センタリング) 力を提供します。一般的なサスペンション システムは、2 つの部分で構成されます。1 つは、ダイアフラムまたはボイス コイルを下部フレームに接続し、復元力の大部分を提供するスパイダーで、もう 1つは、コイル/コーン アセンブリの中心を助け、磁気ギャップに沿った自由なピストン運動を可能にするサラウンドです。スパイダーは通常、補強樹脂を含浸させた波形の布製ディスクで作られています。この名前は、6 本または 8 本の湾曲した脚で結合された 2 つのベークライト材料の同心円状のリングであった初期のサスペンションの形状に由来しています。このトポロジのバリエーションには、ボイス コイルの摩擦の原因となる可能性のある粒子に対するバリアとなるフェルト ディスクの追加が含まれていました。

コーンのサラウンドは、ゴムまたはポリエステルフォーム、処理紙、波形の樹脂コーティングされた布のリングで、コーンの外周と上部フレームの両方に取り付けられます。これらの多様なサラウンド材料、その形状、処理は、ドライバーの音響出力に劇的な影響を与える可能性があり、それぞれの実装には利点と欠点があります。たとえば、ポリエステルフォームは軽量で経済的ですが、通常はある程度の空気漏れがあり、時間、オゾン、紫外線、湿度、高温にさらされることで劣化し、故障するまでの耐用年数が制限されます。

ボイスコイルのワイヤは通常銅で作られていますが、アルミニウム(まれに銀) が使用されることもあります。アルミニウムの利点は軽量で、銅に比べて移動質量が小さいことです。これにより、スピーカーの共振周波数が上がり、効率が向上します。アルミニウムの欠点は、はんだ付けが容易ではないため、接続部をしっかりと圧着して密閉する必要があることです。ボイスコイルのワイヤの断面は円形、長方形、または六角形にすることができ、磁気ギャップ空間でワイヤが覆う体積の量が異なります。コイルはギャップ内で同軸に配置され、磁気構造内の小さな円形の体積 (穴、スロット、または溝) 内を前後に移動します。ギャップにより、永久磁石の 2 つの極の間に集中した磁場が形成されます。ギャップの外側のリングが一方の極で、中央のポスト (ポールピースと呼ばれる) がもう一方の極です。ポールピースとバックプレートは、ポールプレートまたはヨークと呼ばれる単一のピースとして作られることがよくあります。

磁石のサイズとタイプ、磁気回路の詳細は、設計目標によって異なります。たとえば、ポールピースの形状は、ボイスコイルと磁場の間の磁気相互作用に影響し、ドライバーの動作を変更するために使用されることがあります。ショートリング、またはファラデーループは、ポールの先端に取り付けられた薄い銅製のキャップとして、または磁石ポールの空洞内に配置された重いリングとして含めることができます。 この複雑化の利点は、高周波でのインピーダンスが低減し、高音域の出力が拡張され、高調波歪みが低減し、ボイスコイルの大きな変位に通常伴うインダクタンス変調が低減することです。 一方、銅製のキャップは、より広いボイスコイルギャップを必要とし、磁気抵抗が増大します。 これにより利用可能な磁束が減少し、同等の性能を得るためにはより大きな磁石が必要になります。

1950 年代まで、楽器のアンプのキャビネットには電磁石がよく使われていました。真空管アンプを使うと、磁場コイルが電源チョークとしても二重の役割を果たすため、経済的な節約になりました。初期の設計では一般的だった、 電気で動く磁場コイルを備えたダイナミック型スピーカーを今でも製造しているメーカーはごくわずかです。

アルミニウム、ニッケル、コバルトの合金であるアルニコは、フィールドコイルドライバーの問題を解決したため、第二次世界大戦後に人気が高まりました。アルニコ磁石は部分的に消磁されるという問題があったにもかかわらず、1960年代まで一般的に使用されていました。^[3] 1960年代には、ほとんどのドライバーメーカーがアルニコからフェライト磁石に切り替えました。フェライト磁石は、セラミック粘土とバリウムまたはストロンチウムフェライトの微粒子の混合物から作られています。これらのセラミック磁石の1キログラムあたりのエネルギーはアルニコよりも低いですが、大幅に安価であるため、設計者はより大きくて経済的な磁石を使用して所定の性能を達成できます。輸送コストの増加と、より小型で軽量なデバイスへの要望により、ネオジムやサマリウムコバルトなどの材料で作られたよりコンパクトな希土類磁石を使用する傾向があります。^[4]

スピーカードライバーには、前後に動く振動板が含まれており、前方の気柱に圧力波を発生させます。用途によっては、側面に対してある角度で振動板が動きます。振動板は通常、低・中周波数では円錐形、高周波数ではドーム形ですが、まれにリボン形になることもあります。素材は、コーティングされた紙、コーティングされていない紙、またはポリプロピレンプラスチックです。^{[5]ドライバーによっては、}グラスファイバー織り、カーボンファイバー、アルミニウム、チタン、純クロスカーボンなどのより特殊な素材が使用され、ごく少数のドライバーでは、コーン、ドーム、またはラジエーターとして PEI、ポリイミド、PET フィルムなどのプラスチックフィルムが使用されています。

すべてのスピーカー ドライバーには、電気的に前後運動を誘発する手段があります。通常、ドライバーのコーンのネック部分には、絶縁ワイヤをしっかりと巻いたコイル (ボイス コイルと呼ばれる) が取り付けられています。リボン スピーカーでは、ボイス コイルは、非常に薄い紙、アルミニウム、グラスファイバー、またはプラスチックのシート上に印刷または接着されています。このコーン、ドーム、またはその他のラジエーターは、その外縁が柔軟なサラウンドによって剛性フレームに取り付けられており、剛性フレームはボイス コイルのすぐ近くで永久磁石をサポートしています。効率性を考慮して、比較的軽量のボイス コイルとコーンがドライバーの可動部分であり、はるかに重い磁石は固定されています。その他の一般的なコンポーネントには、後部サスペンション要素として使用されるスパイダーまたはダンパー、オーディオ信号を接続するための単純な端子またはバインディング ポスト、およびシャーシとエンクロージャ間の接合部を密閉するための コンプライアントガスケットなどがあります。

ドライバーは、ほとんどの場合、木、プラスチック、または時には金属でできた堅い筐体に取り付けられます。このスピーカー筐体またはスピーカー ボックスは、コーンの前面からの音響エネルギーをコーンの背面からの音響エネルギーから分離します。効率と指向性を高めるためにホーンが使用されることもあります。グリル、ファブリックメッシュ、またはその他の音響的に中立なスクリーンは、通常、ドライバーとハードウェアを見た目上隠し、ドライバーを物理的損傷から保護するために用意されています。

動作中、信号は電線によって、アンプからスピーカー ケーブルを経由してボイス コイルに送られ、次に柔軟なティンセル ワイヤを経由して可動コイルに送られます。電流によって磁場が生成され、電気信号が変化すると、ボイス コイルに流れる電流によって生成される磁場によって、固定磁石構造によって磁気ギャップに確立された磁場に対して、振動板が交互に一方または他方に押し付けられます。その結果生じる前後の動きによって振動板の前の空気が動かされ、圧力差が生じて音波として伝わります。

スパイダーとサラウンドは、工場でドライバーが組み立てられたときに確立されたバランスの取れた位置からの動きを復元するスプリング機構として機能します。さらに、それぞれがボイスコイルとコーンをマグネットアセンブリ内で同心円状に、また前後方向に中心に配置するのに貢献し、ボイスコイルを磁気ギャップ内の重要な位置に戻します。

ボイス コイルと磁石は、本質的には、スパイダーとサラウンドのセンタリング「スプリング張力」に逆らって動作するリニア モーターを形成します。スパイダーとサラウンドによって移動距離に制限が課されなければ、ボイス コイルは高出力レベルで磁石アセンブリから放出されるか、磁石アセンブリの背面に衝突するほど深く内側に移動する可能性があります。スピーカー ドライバーの大部分は、スパイダーとサラウンドのセンタリング力に逆らって動作するだけで、ドライバー要素の位置を積極的に監視したり、正確に配置しようとしたりすることはありません。一部のスピーカー ドライバー設計には、そのための手段 (通常、サーボ機構と呼ばれます) があります。これらは通常、ウーファー、特にサブウーファーでのみ使用されます。これは、コーン サイズが再生対象の一部のサウンドの波長よりはるかに小さいドライバーでは、それらの周波数でコーンの移動量が大幅に増加するためです (つまり、おそらく 100 Hz 未満の低音周波数)。

スピーカー ドライバーは、広い周波数範囲または狭い周波数範囲で動作するように設計されている場合があります。小さなダイアフラムは、良好な低周波応答に必要な大量の空気を動かすのに適していません。逆に、大きなドライバーは、非常に高い周波数での移動能力を制限する重いボイス コイルとコーンを備えている場合があります。設計限界を超えてドライバーを押すと、大きな歪みが生じる可能性があります。マルチウェイ スピーカー システムでは、特定の周波数範囲を生成するために専用のドライバーが提供され、入力信号はクロスオーバーによって分割されます。ドライバーは、フルレンジ、ツイーター、スーパー ツイーター、ミッドレンジドライバー、ウーファー、サブウーファーなど、いくつかのタイプに分類できます。

スピーカー ドライバーは、サウンド再生の主な手段です。スピーカー ドライバーは、スピーカー、ヘッドフォン、電話、メガホン、楽器用アンプ、テレビやモニターのスピーカー、拡声システム、ポータブル ラジオ、玩具などのオーディオ アプリケーションのほか、音を出すように設計された多くの電子機器にも使用されています。

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