より少ない電力で高音質! “磁性流体”スピーカーに込められた、ものづくりへの情熱

ソニーは高音から低音まで幅広い音域を再生するフルレンジスピーカーに磁性流体技術を導入し、少ない電力でクリアな音質を再現する磁性流体スピーカーを開発しました。

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My Sony Club会員に聞きました!「あなたのスピーカーへのこだわり、教えてください!」

どんな音響機器で音楽を楽しんでる?

スピーカーを選ぶときのこだわりは?

設置の自由度。小音量時のバランス・表現性。そしてなんといってもデザイン。ソニーらしい高級感があってインテリア性の高いカッコイイ製品を期待します ニックネーム:府中のケンケンさん(40代 男性)

原音に忠実な再現力を持つ物(DTM等に使用するため)。設置スペースや大きさ・重量等。コストパフォーマンスは、特に重視する ニックネーム:バイパーさん(40代 男性)

ボーカルの聞こえやすさ ニックネーム:LOPESさん(40代 男性)

ピアノの音の再現性が高いこと。音の分離が良いこと ニックネーム:ケイジエイさん(40代 男性)

臨場感が気になります。昔、音楽家の父を持つ友達の家で聞いた高級なスピーカーから流れ出た、所ジョージさんの声が忘れられません。まるで、目の前に所ジョージさんがいる様な臨場感でした ニックネーム:なおさん(50代)

豊かな低音とクリアな高音。映画鑑賞の場合は明瞭なセリフも意識します ニックネーム:タイムさん

マンションのため大きな音で聴けません。なので、小音量でもしっかりフラットな音域。あとはコストパフォーマンスかな ニックネーム:art2さん(50代 男性)

掃除がしやすいこと ニックネーム:かしわさん(50代 男性)

低音域を重視 ドンシャリを好む ニックネーム:ポクさん(男性)

まず、クセの少ない音です。次は音像の定位がしっかりしていることで、オーケストラの再現が目安です。そして好みの、弦楽器の音色がつやっぽいのは外したくないですね ニックネーム:たぬきさん(50代 男性)

一番は音楽的な音であること。特にスピーカーは楽器なので、特性よりも出た音が重要。次くらいに色づけの少ないこと ニックネーム:まるほさん(40代 男性)

いわゆる「ドンシャリ」ではない、原音忠実な「HiFi」再生が可能なもの。もちろん部屋の形状・大きさを含めて、音響環境の「理想」の足りない分を補完する性能も考えます ニックネーム:非論理さん(40代 男性)

高音域を重視しています。透き通るような、突き抜けるような高音が好きです。トゥイーターは通常のコーンでなく、リボンなどのハイテク素材が採用されているものに興味があります ニックネーム:ケンジさん(男性)

液体? それとも磁石? ソニーのスピーカーに使われている“磁性流体”の秘密に迫る!

Q.そもそも磁性流体ってどんなもの?

A.磁性流体とは、磁力に反応する微粒子が含まれた液体のことです

磁性流体は磁力に反応する“磁性微粒子”とオイルなどの液体、そして界面活性剤から構成されています。たとえるなら磁性流体は、砂鉄がオイルに溶け込んでいるような物質です。

磁性微粒子は周囲の磁界(磁石)の影響を受けて、砂鉄が磁石に反応するように、磁力を帯びる性質を持っています。砂鉄と違うところは、砂鉄は長時間磁力にさらすと自身も磁石になりますが、磁性流体は磁力から離すと帯びていた磁力が消えることです。

磁力線に反応する磁性流体

写真は、近づけた磁石が発する磁界に、磁性流体が反応した状態をとらえたものです。印象的なトゲトゲの形は近づけた磁石の磁力線の向きによるもの。磁力線の向きが変化すれば磁性流体の形状はボールのように丸くなるなどします。

Q.磁性流体はいつ、どんな目的で生み出されたの?

A.もともとは宇宙服のシーリング材の一種として開発されました

磁性流体は、1960年代に宇宙服などで使うシーリング材としてNASA(アメリカ航空宇宙局)によって開発されました。磁石を近づけると吸い付くように付着する磁性流体は、曲げたり引っ張ったりした場合も変形して膜のように継ぎ目をおおい、手足を曲げ伸ばしする宇宙服のシーリングにうってつけの素材でした。また、磁性流体は地上においてもモーターの回転軸などに活用されています。磁性流体は回転する軸に常に触れていながらも、樹脂や金属のように短期間で摩耗することなく回転軸を支え続けます。

宇宙服はブーツやグローブなど着脱可能な複数の部品で構成されている。磁性流体はジョイント部分のすき間に入り込み、磁力に反応してその場にとどまることで気密を保つ。

開発者インタビュー “磁性流体”スピーカーを実現したソニーの音へのこだわり

“液体”という、オーディオの分野からは連想することが難しい素材を用い、フルレンジスピーカーにおいて全音域でクリアな音と省電力を実現したソニーの磁性流体スピーカー。新たな発想によって生み出されたスピーカーの開発の裏側には、どんなハードルがあったのでしょう。磁性流体スピーカーの開発を担当した田上、池田両氏に話を聞きました。

田上 隆久 (たがみ たかひさ)/池田 絵美子 (いけだ えみこ)

90年来変化のなかったフルレンジスピーカーの構造が変わった!

私たちがふだん目にするスピーカー(ダイナミック型スピーカー)の歴史は古く、原型は1920年代に登場しました。ダイナミック型スピーカーは音を発する振動板と直結したボイスコイルと、コイルを囲むように配置された磁気回路によって構成されています。ボイスコイルは電気信号が流れると周囲の磁気回路と反応して前後に駆動、振動板を震わせることで音を鳴らします。この構造は登場以来ほとんど変わっていません。

池田:磁性流体スピーカーの最初の開発目標は、スピーカーの効率アップでした。スピーカーはアンプから受け取った電気信号を音に変換する際、エネルギーの一部を音ではなく熱として放出してしまいます。この変換ロスを減らすことで、アンプの出力はそのままで2倍の大きさの音を出すことを目指したんです。スピーカーの電力効率を向上するためには、振動板をはじめとする駆動部分の軽量化や、ボイスコイルを少ない電力で動かす磁気回路の強化などがあります。ただ、振動板はアルミやケブラー®繊維など先進的な素材が、磁気回路はフェライト磁石を上回る強力なネオジム磁石がすでに採用されているなど、どちらも開発が進められており2倍の音量が出せるほどの効率アップは難しい状況にありました。

田上:そこでボイスコイルを支えるダンパーに注目しました。大きな改良がおこなわれていなかったダンパーを工夫することで、駆動系の軽量化をねらったわけです。ダンパーを糸のようなものに変えてみたり素材を変えたりと、もう数え切れないほどのチャレンジをしましたね。しかし、どの方法も軽量化の度合いは少なく、大きな効率アップはできませんでした。

試行錯誤の中で、いっそダンパーをなくし、まったく別の構造に置き換えたら、と思いついたんです。その参考になったのがハードディスクのモーター部分に採用されている流体軸受け(モーターの回転軸を支える機構)でした。駆動部分を支えるという役割はダンパーも流体軸受けも同じです。ただ、回転運動を支える軸受けで使われている磁性流体が、はたしてボイスコイルの往復運動を支えられるのかと不安もありました。

ダンパーに改良をくわえるものの効果はもうひとつ。手をくわえるのではなく、ダンパーをなくすという思い切った決断が成功への扉を開いた。

試作結果は90%が失敗 しかし残り10%の中に正解が存在していた

磁性流体スピーカーはボイスコイルを支えるダンパーをメカ機構ではなく、流体という別の構造で置き換えています。スピーカーの“常識”を変えるためには、置き換えのアイデアにくわえて、いろいろな角度からの検討と発想を実証する実験が必要でした。

池田:技術開発に理論は必要ですが、手を動かすこと、実物で試してみることも同じくらい重要です。はたして磁性流体がボイスコイルの往復運動を保持できるのかを知るために、まずは既存のスピーカーを改造して実験してみることにしました。手近にあったスピーカーのダンパーを取りさって、ボイスコイルが収まっている溝に磁性流体を流し込むと、拍子抜けするほど簡単に実験機が完成しました。磁性流体スピーカーの開発は本当に、アイデアをそのまま形にするところからはじまったんです。

田上:実験機の音を初めて聞いたときは、音のクリアさに驚かされました。本当にびっくりするほど良い音が出てきたんです。ダンパーの代わりに磁性流体を注入するだけでこんなに音が変わるのかと。

ただ、その感動はつかの間のものでした。数分もすると磁気回路の溝から磁性流体が飛び散ってしまって、コイルが磁気回路をこすってまともに音が鳴らなくなってしまいました(苦笑)。それでも、数分とはいえ実験機から素晴らしい音が鳴った、という体験を経たことで、磁性流体スピーカーは必ず完成すると確信を持つことができました。

ダンパーがなくなったことで見た目もスッキリした磁性流体スピーカー。シンプルな構造は音の純度を高める原動力となった。/磁性流体スピーカーの構造を知ることができるデモンストレーション用キット。左側の3つの小瓶は磁性流体のサンプル。磁性流体にもさまざまな種類があることがわかる。

池田:磁性流体スピーカーは、1秒間に数十回から数千回の往復運動をおこなうボイスコイルが磁性流体をかき出さないように、磁性流体の磁力への反応の強さとコイルの揺れを受けとめる流体の粘度のバランスをとるのが難しいんです。計算では最適なバランスのはずなのにすぐに飛び散ってしまったり、逆にボイスコイルの動きを制限して音がこもってしまったりと。スピーカーごとに違う個性やボイスコイルの大きさに最適な磁性流体の特性を求めた実験を重ね、指先や机のまわりは飛び散った磁性流体で日に日に黒く染まっていきました(笑)。それでも、磁性流体ならではの透明感のある音が聞こえるたびに、完成させたいという気持ちはどんどん強くなっていきました。

田上:実用化という点では量産体制を整えることにも苦労しました。ダンパーという部品はスピーカーの組み立て工程において、ボイスコイルや磁気回路の位置を決める基準になる部品なんです。ボイスコイルと磁気回路のすき間は0.2ミリしかなく、わずかでも部品にゆがみや組み付けにズレがあると磁気回路がこすれてスピーカーからは音が出なくなるため、各部品の位置合わせには細心の注意が求められます。磁性流体スピーカーには基準となるダンパーがありませんから、ダンパーがないことに対応した設計や、組み立てに使う治具(じぐ)の工夫、組み立て手順の構成など、それこそ一から体制を整えて量産試験を開始しました。しかし、製造ラインから上がってきた試作スピーカーは、なんと90パーセント以上が失敗だったんです。

池田:あのときは途方に暮れましたね……。

田上:とはいえ、見方を変えれば10パーセントは成功してるんですよ。90パーセントの失敗の原因と10パーセントの成功の要因を分析して、成功の源になっているものを追求していけば、良品率はおのずと上がっていくはずです。設計や組み立て手順のすべてを洗い直して、問題点をひとつずつ修正していくことを繰り返して良品率は改善していきました。ものづくりの原点はやっぱり実際に物を作ることだと思うんです。不良品の数にたじろぐことなく何度も手を動かして実際に試して、考えるだけではわからない問題点の洗い出しをおこなったのが一番の成功の源だと思います。

種類が増えつつある磁性流体スピーカーを前にした二人。開発中は熱くなるあまり衝突することが何度もあったそう。

スピーカーからダンパーを外すことで、ひずみの少ないクリアな音質が生まれた

従来のスピーカーに不可欠だったダンパーを磁性流体に置き換える、というアイデアは、ひずみの少ないクリアな音質を生みだしました。

田上:磁性流体スピーカーには、省電力、省スペースなどさまざまな利点がありますが、一番注目してもらいたい点はやはり高音質であること、ですね。中高音域でひずみが少なく、非常にクリアで歯切れのいい音を再生します。「音にスピード感がある」という表現をよくするのですが、従来のスピーカーと比較して聞いていただけたら、音の明瞭度がよりはっきりと伝わってくるのが感じられると思います。

池田:ダンパーはボイスコイルを支えるための部品なのですが、大きな円盤状のダンパー自身も振動板のようにわずかながらも音を出しています。振動板をはずしたスピーカーで実験してみると音声信号の入力にあわせてダンパーから音が出ているのが確認できます。このダンパーから発生している音は本来不要な音で、ひずみ成分が生まれる原因でもあるのですが、磁性流体スピーカーではダンパーが存在していませんのでひずみ成分が少なく、クリアな音質につながっています。

田上:さらに、ダンパーを接続する部分がなくなったことも音質にプラスになっています。ダンパーを固定していた長さのぶんだけボイスコイルと振動板との距離が短くなり、振動板を動かす力のロスやノイズの混入機会が減っています。また、ダンパーは単体では厚みのある部品ではありませんが、スピーカーが音を発する際には激しく振動します。ダンパーをなくすということはその振動幅のぶんだけ厚みをなくすことにもつながるんです。

ボイスコイルとほぼ同等の幅をもつダンパーの往復運動によって生じていた音の歪み(ひずみ)成分が、磁性流体スピーカーでは減少している。

理論よりも実践。試作を繰り返したことで生まれた磁性流体スピーカー

90年近くも変化のなかったスピーカーの基本構造を変えた磁性流体スピーカー。
革新的な技術はどんな発想から生まれたのでしょうか。スピーカー作りにおける考えかたとこれからの目標について聞きました。

池田:まずは手を動かして物を作ること。そして音を鳴らして、理屈だけでなく耳で確かめることがいい音を生み出す基本だと思います。どんなにすばらしいアイデアがあっても、それを形にしないと。もちろん理論やアイデアはなくてはならないものです。しかし音楽は感性に響くものですし、図面に書いたアイデアや理論だけではいい音は作れません。それとともに、スピーカーから出る“いい音”を肌で感じることが大切なんです。

ぜひ一度、磁性流体スピーカーの音を店頭やショールームで実際に聞いて確かめてみてください。理屈や言葉の前に心地よい音を耳と感性で感じてもらえれば、と思います。音を聞いてもらった人に「いいね」と気に入ってもらえるスピーカーをこれからも作っていきたいですね。

磁性流体スピーカーユニットは、オーディオ機器をはじめ4Kブラビアなどさまざまなソニーの機器に採用され始めています。

田上:音楽がもたらす感動は数字や言葉ですべてが表現できるものではありません。スピーカーに限らずソニーのオーディオ機器は、最終的には計測機器ではなく、生身の人間の感性をもとに調整をおこなっています。計測データの裏付けがあっても、心に残らない音になってしまうことはよくあることです。技術は日々進歩していますが、感動したり心地よく感じたりする音がどんな音なのかは、残念ながらまだ判明していません。すばらしい音や心に残る音がどんな音かは、実際に体験するしかないんです。

開発においても、まずは自分の耳で確かめることで、心地よくなる音、楽しく感じる音を作り出せるように心がけています。そのためには手を動かして試作機を作り理論を検証し改良を重ねて、一歩ずつ進むことが大切なのだと思います。

ワイヤレススピーカーシステム「SRS-BTX500」に搭載された磁性流体スピーカー

磁性流体スピーカーはダンパーレスとすることで軽量化を実現しました。さらに、これまでダンパーが発していた不要な音成分が消失し、新たに磁性流体を採用したことで音の純度と入力された信号への応答性を高め、クリアで歯切れのいい音を再生します。また、磁性流体の採用は駆動力の損失削減につながり、アンプの消費電力を約35パーセント削減しています(*)。

* 磁性流体スピーカー単体の消費電力を同出力の従来スピーカーと比較した場合

My Sony Club会員から“磁性流体”テクノロジー開発者に質問!

Q.湿度の変化で音が変わることはあるのでしょうか。また、どれくらいの年月を耐えられるのでしょうか? ― シンクマンさん (50代 男性) 、G56さん

田上:スピーカーに注入している磁性流体は温度、湿度ともに人間が日常的に生活できる環境でしたら、大きく変質することはありません。時間経過による音の変化や経年劣化については、生活環境をシミュレートした加速劣化試験において、150年たっても劣化しないことを確認しています。磁性流体の耐久性は非常に高く、もしスピーカーが壊れるとしたら機械的な部分、メカ的な部分が先になるのではないかと思います。

Q.液体ということで使用中に磁性流体が漏れる、といったことはありませんか? ― Xぺりおさん (40代 男性)

池田:磁性流体はボイスコイルがおさまる磁気回路の溝の中に注ぎ込んでいます。磁気回路と磁性流体は磁力に反応してたがいに引きあっているので、スピーカーをゆすったりひっくり返したりしてもこぼれることはありません。

Q.磁性流体が外部の磁気に影響を受けて、音が変わることはあるのでしょうか? ― HIDEOさん (50代 男性) 、ツッキーさん (20代 男性)

田上:スピーカーの磁気回路の磁力は非常に強く、また、スピーカーはエンクロージャー(箱)に収まっていることもあって、外部の磁気が原因で磁性流体が漏れ出すことはまずないでしょう。音質が変化するほどの影響もないと思います。スピーカー内の磁性流体が影響を受けるほどの磁力は、磁石を製造するために使う工業用機械でなければおそらく作り出せないのではないでしょうか。

磁性流体スピーカーが示した、受け継がれる“ものづくり”の心

ものづくりの基本は手を動かして物を作ることにあります。磁性流体スピーカーは研究・開発の枠にとどまることなく、その先にあるものづくりの心を大切にして、手を動かし続けることでスピーカーの構造に革新をもたらしました。そして目の前にあらわれる失敗や挫折の数々にも動じず、それらを冷静に分析し失敗を次へと活かすことで製品化を実現しました。アイデアを形にすること、失敗を恐れて立ち止まらないこと。磁性流体スピーカーの開発と製品化には、ものづくりの原点があります。

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※ 本ページに掲載している情報は2013年7月31日現在の情報であり、予告なく変更される場合がございます
※【2013年8月9日】記事中に「フルレンジスピーカー」においての技術である旨を追記し、更新しました