JP2010539788A - フルレンジ平面磁気マイクロホンおよびそのアレイ - Google Patents

Abstract

検討される平面磁気マイクロホンは、実質的に均一な垂直磁束密度および高い水平磁束密度が、磁石間の空間において実現されるような磁石およびダイヤフラム構成を有する。最も好ましくは、ダイヤフラムは、磁石間の空間に配置され、膜のアクティブ部分の大部分を被覆するボイスコイルを含む。さらに特に好ましい態様において、膜は、磁石間の空間における大きな弾性の偏位を可能にするほど十分に強く、張力がかけられる。したがって、検討される平面磁気マイクロホンは、圧縮および／または歪みを生じることなく、際立って大きいダイナミックレンジを提供し、水分、雨に曝される環境において動作するように容易に構成されることができ、水中環境においても動作するように容易に構成されることができる。さらに、検討されるマイクロホンは、再構成することなく、高いＳＰＬであってもスピーカとして用いられることができる。

Description

本出願は、２００７年９月１４日出願の係属中の米国特許出願番号第１１／８５５４０５号に対する優先権を主張し、その内容は、本明細書に参照により組み込まれる。

本発明の分野は、マイクロホンおよびそのアレイであり、特に平面磁気変換器を有するマイクロホンである。

マイクロホンは、音響信号を電気信号に変換する広く普及しているデバイスであり、電話、テープレコーダ、補聴器などをはじめとして多くのデバイスで見られることができ、変換器の選択は、変換器が利用される特定の音または環境によって決定されることが多い。

たとえば、コンデンサマイクロホンまたはキャパシタマイクロホンは、キャパシタの一方のプレートとして作用するダイヤフラムを利用し、音が当たることによって生じる振動が、キャパシタプレート間の距離に変化を生じる。類似の原理が、エレクトレットコンデンサマイクロホンにおいて用いられ、永久に荷電または分極される誘電材料が、キャパシタ回路の一部である。他の実施例において、ダイナミックマイクロホンは、永久磁石の磁界に位置決めされる小型の可動コイルを利用し、コイルは、ダイヤフラムに取り付けられる。同様に、リボンマイクロホンは、磁界に吊るされる薄い通常は波形の金属リボンを利用し、リボンは、マイクロホン出力に電気的に接続される。磁界内のリボンの振動が、電気信号を生成する。マイクロホンのさらに別のクラスにおいて、圧電材料が利用され、材料に当たる音圧が材料の中に電圧を生成する。

しかしながら、知られているマイクロホンのほとんどすべては、特定のＳＰＬ（音圧レベル）範囲で動作するように設計され、したがって、低いＳＰＬに敏感であり、高いＳＰＬで歪むか、または低いＳＰＬ音に対する感度を犠牲にして高いＳＰＬを許容するかのいずれかである。さらに、９０ｄｂを上回るＳＰＬで、圧縮が通常必要とされるか、または歪みが著しく増大する。大半のマイクロホンでは、指向性に関するさらなる欠点に直面する。最も一般的には、指向性は、軸外音波の少なくとも一部が相殺されるか、または低減されるように、ハウジング設計によって達成される。残念なことに、特に高い指向性が望ましい場合には、そのようなマイクロホンの設計は、使用範囲を制限することが多い。

さまざまなマイクロホンが当該技術分野では知られているが、それらのすべてまたはほとんどすべてには、１つ以上の欠点がある。したがって、特に、大きなダイナミックレンジおよび／または指向性が所望である場合には、改善したマイクロホンのための改善した構成および方法を提供することに対する需要が依然としてある。

本発明は、好ましくはフルレンジの平面磁気変換器が、少なくとも１００Ｈｚから２０ｋＨｚの周波数スペクトルにおいて、きわめて大きなダイナミックレンジを有するマイクロホンとして利用される構成および方法に関する。最も好ましくは、マイクロホンはまた、水中での使用を可能にするように構成され、さらに好ましい態様において、２つ以上の変換器が、マイクロホンの増大した指向性および感度を提供するために、アレイに配置される。

本発明主題の一態様において、音を記録する方法は、複数の磁石および少なくとも２つの磁石の間に配置される張力をかけたダイヤフラムを有する平面磁気変換器を設けるステップを含み、ダイヤフラムは、ボイスコイルを含み、磁石は、磁石のうちの少なくとも２つの間の距離が少なくとも１ｍｍ、より好ましくは少なくとも２ｍｍ、さらにより好ましくは少なくとも４ｍｍ、最も好ましくは少なくとも５ｍｍであるように互いに対して配置され、ダイヤフラムに対して垂直である平面における少なくとも２つの磁石の間の平均磁束密度は、少なくとも０．３５Ｔであり、実質的に均一であり、第３の磁石とダイヤフラムの平面における少なくとも２つの磁石の一方との間の平均磁束密度は、少なくとも０．３Ｔである。別のステップにおいて、ボイスコイルからの電気信号は、増幅器に供給される。

最も好ましくは、ダイヤフラムは、圧縮および歪みのない状態で、１０ｄｂから１００ｄｂの範囲、より一般的には１０ｄｂから１２０ｄｂ、最も一般的には１０ｄｂから１４０ｄｂ（およびそれ以上高い）の音圧レベルで、１００Ｈｚから２０ｋＨｚの周波数を有する音の記録を可能にするように十分に張力がかけられる。これらのパラメータに基づき、平面磁気マイクロホン出力が予想外に高く、通常の構成が前置増幅器なしで動作されることができることを留意すべきである。ＳＰＬに応じて、検討されるマイクロホンからの出力電圧は、これまで知られている一般的なデバイスの１０，０００倍を超える数ボルトもの高さであってもよい。さらに、検討されるマイクロホンは、通常１００Ｈｚから２０ｋＨｚのフルレンジの周波数範囲にわたって動作する。

さらに好ましい態様において、ボイスコイル、より一般的には、ダイヤフラム全体が、電気絶縁層で被覆され、水中での記録を可能にする。そのような実施形態において、変換器が上部および下部を有し、ダイヤフラムが上部と下部との間に配置され、上部および下部が変換器の外側で水と流体連通状態にある複数の開口部を有することが一般に好ましい。

所望であれば、第２の平面磁気変換器が設けられ、平面磁気変換器に接続され、それによって変換器のアレイを形成することが検討される。そのようなアレイは有利には、２から３０個の個別の変換器を含んでもよく、最も好ましくは音の指向性捕捉を可能にするように構成される。たとえば、適切なアレイは１５０ｃｍ^２から１０００ｃｍ^２のアクティブな変換器膜領域を有する実質的に平坦なｎ１×ｎ２構成を有してもよく、ｎ１およびｎ２は独立に、２から１２（両端値を含む）の間の整数であり、ｎ１／ｎ２は、０．４から２．５（両端値を含む）である。さらに、本明細書において検討される方法はさらに、第２の電気信号を変換器に供給し、それにより、変換器がマイクロホンとして動作しない場合には、スピーカとして変換器を動作するステップを含んでもよい。そのような電気信号は次に、変換器に１０ｄｂから１００ｄｂの範囲、より一般的には１０ｄｂから１２０ｄｂ、最も一般的には１０ｄｂから１４０ｄｂの音圧レベルで、１００Ｈｚから２０ｋＨｚの周波数を有する音を生成させてもよい。

本発明主題の別の態様において、観察システムは、任意に水中作動の平面磁気変換器の複数のアレイを含んでもよく、アレイのそれぞれは、音の指向性捕捉を可能にするように構成される。アレイの少なくとも２つに電子的に接続され、音放射物体の少なくとも１つの情報パラメータを決定するように構成される処理ユニットがさらに、設けられる。他の適切な情報パラメータの中で、パラメータは、音放射物体の位置、音放射物体のタイプ、音放射物体の速度および音放射物体の通信信号からなる群から選択されることが好ましい。最も好ましくは、アレイは、水中使用を可能にするように構成され、および／または処理ユニットは、三角法、反響位置決定法および地震観測法からなる群から選択される少なくとも１つの動作を行うように構成される。さらに、検討されるシステムはまた、複数のアレイに電子的に接続され、電気信号をアレイの少なくとも１つに供給するように構成され、それにより、スピーカとしてアレイの少なくとも１つを動作する増幅器を含んでもよい。

本発明主題のさらに別の態様において、通信システムは、（１）変換器のボイスコイルから第１の電気信号を増幅するように構成される第１の増幅器に電子的に接続されるフルレンジの平面磁気変換器および（２）フルレンジの平面磁気変換器に電子的に接続され、第２の電気信号を変換器のボイスコイルに提供するように構成される第２の増幅器を有してもよく、第１の増幅器はさらに、第１の電気信号から音声出力信号を生成するように構成され、第２の増幅器は、１０ｄｂから少なくとも１００ｄｂの範囲の音圧レベルで、少なくとも１００Ｈｚから２０ｋＨｚの周波数を有する音を生成するために変換器を駆動するように構成される。所望であれば、検討される通信システムにおいて、複数のフルレンジの平面磁気変換器は、アレイとして構成されてもよい。

本発明の種々の目的、特徴、態様および利点は、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明からより明白となる。

本発明主題による例示の平面磁気変換器の概略図である。 本発明主題による例示の平面磁気変換器の断面の概略図である。 ２本の棒磁石の間の垂直間隙における磁束密度を示すグラフである。 ダイヤフラムの平面における２本の棒磁石の間の水平面における磁束密度を示すグラフである。 本発明主題による平面磁気マイクロホンの６×４アレイの写真である。 検討される平面マイクロホンを用いた例示の観察システムの概略図である。 検討される平面マイクロホンを用いた例示の通信システムの概略図である。

本発明者らは、平面磁気スピーカが数々の予期しないきわめて望ましい特性を有するマイクロホンとして動作されることができることを驚きをもって発見した。従来のスピーカ変換器は、逆の態様で動作されることができ、それにより、マイクロホンとして機能するが、そのような逆転は通常、許容可能でない音質、低感度を結果として生じ、したがって低い信号対雑音比を結果として生じることが多いことが一般に認識されている。対照的に、特に検討される平面磁気スピーカがマイクロホンとして利用される場合には、本発明者らはさらに、そのようなマイクロホンが優れた感度、音質およびダイナミックレンジを提供することを発見した。実際に、本発明主題による平面磁気マイクロホンを用いて、１０ｄｂ（およびさらに低くてもよい）から１５０ｄｂ（およびさらに高くてもよい）のＳＰＬを有する音が、少なくとも１００Ｈｚから２０ｋＨｚの周波数範囲にわたって、音質の歪みまたは損失を生じることなく、正確に記録されることができる。

そのような差は、平均０．５インチのマイクロホン（ダイナミックマイクロホンのダイヤフラムの直径）を本明細書に提示される例示の平面磁気変換器と比較する場合に、容易に明白である。０．５インチのマイクロホンのダイヤフラムの表面積は、約１．２ｃｍ^２と計算されるが、一般に検討される変換器のダイヤフラムの表面積は、約１７０ｃｍ^２であり、ダイヤフラム面積において１４２倍増大する。特定のＳＰＬに関してｃｍ^２当たり同一の電圧出力を得ると仮定すると、検討される変換器は、１４２倍高い電圧出力を生成することができる（４３ｄｂ高いレベルに等しい）。したがって、検討される平面磁気変換器は実質的により低い電気増幅を必要とすることを認識すべきである。実際には、本明細書において提示される平面磁気変換器の大半は、前置増幅器のない状態で動作されることができる。これに関連して、通常のマイクロホン信号を増幅するために必要な高い増幅器ゲインは、電気雑音を生じ、さらには、ＳＰＬスペクトルの下端における音の記録可能性を制限することを十分に認識すべきである。したがって、本明細書において検討される平面磁気変換器が、４３ｄｂ高い電気出力を提供するため、（従来のマイクロホンに比べて）４３ｄｂ弱い音を記録することができ、聴音距離が劇的に増大する。そのような利点は、平面磁気変換器がアレイにおいて共に接続されるときにさらに明白ととなり、効果的にダイヤフラム面積をさらに増大する。たとえば、検討される変換器の２×３アレイは、高い周辺雑音レベル（都市交通および産業雑音）環境において約４５０フィートの距離で、比類なき透明度で正常音レベルを獲得することができるマイクロホンとして作動された。

例示の平面磁気変換器１００Ａは、図１Ａに概略的に示され、ダイヤフラムの一部が、下にある棒磁石、スペーサ要素および他の構成要素を露出させるために除去されている。ここで、固定子枠１１０Ａは、音が入り、熱が放散される複数の穿孔１１２Ａを有する。棒磁石１２０Ａは、（北［Ｎ］および南［Ｓ］によって示されるような）交互の極性によって、平行な態様で、固定子に接続される。磁石の適切な取り付け配置および距離は、スペーサ要素１３０Ａ（１つのみのスペーサが図示される）によって維持され、磁石を固定子に保持する接続材料における張力も低減する。そのようなスペーサは、隣接する磁石の比較的小さな間隙が磁石間に著しい誘引力をもたらすように、磁石がきわめて強力である場合に特に有利である。矢印１４０Ａは、隣接する磁石間の磁界の方向を示している。ダイヤフラム１５０Ａは、固定子１１０Ａに取り付けて、導電トレース１６０Ａをさらに含む。導電トレース１６０Ａは、隣接する磁石間の間隙の上を走り、電流が、矢印１７０Ａによって示されるように、隣接する磁石間の磁界に対して一方向に流れるような配置を有する。導電トレースの両端は、電気端子１６２Ａで終端する。ダイヤフラムのアクティブ（すなわち、可動）領域は、空洞（以下も参照のこと）の一部を形成する壁１１４Ａによって画定される空間内に位置付けられる。

図１Ｂは、ハウジングが上部固定子１１０Ｂおよび下部固定子１１０Ｂ’をそれぞれ有する例示の平面磁気変換器１００Ｂの垂直断面を示す。固定子の間にダイヤフラム１５０Ｂが配置され、ダイヤフラム１５０Ｂはまた、対向する磁石が（北［Ｎ］および南［Ｓ］によって示されるような）同一の極性によって互いに面するように、対向する磁石１２０Ｂと１２０Ｂ’との間の中心に配置される。ダイヤフラム１５０Ｂは、ボイスコイル１６０Ｂを分離するために、電気絶縁層を提供する最上層および最下層１２２Ｂによって任意に覆われる。上述のように、固定子は、磁石およびダイヤフラムを収容するために、空洞を画定するための壁１１４Ｂと、音を入れ、熱を逃がすことを可能にするための穿孔１１２Ｂとを有する。水平磁束は、１４０Ｂによって示され、垂直磁束は、１４２Ｂによって示される。電流は、音圧Ｆによって導電トレース１６０Ｂに誘導され、ダイヤフラムおよびボイスコイル１６０を磁界に移動させる。

本明細書に提示される平面磁気変換器は、ｘ軸（ダイヤフラムの平面に対して平行である軸として定義される）における比較的高い磁界強度を提供する磁石を有することが一般に検討される。したがって、特に好ましい態様において、磁石は、ネオジムまたは他の希土類金属のみまたは１つ以上の希土類金属、鉄および／またはホウ素との組み合わせを含む。本発明主題の好ましい態様において、磁石は、対向する隣接極性を有する平行な棒のアレイに配置される棒磁石である。最も好ましくは、対応する棒磁石の第２の系列は、同一の極性を有する第１のアレイと面し、それにより、プッシュ−プルシステムを形成する。しかしながら、磁気間隙が、（ｘ軸およびｙ軸において）少なくとも０．３Ｔの磁界において、大きなダイヤフラムの偏位を可能にする特性によって、達成されることができる限り、数々の代替構成もまた、適切と考えられ、湾曲または他の方法で不規則に成形された棒磁石、環状磁石などを含む。

磁石の特定の配置に関係なく、ｘ軸における磁石間の磁界強度は、少なくとも０．３５Ｔであることが特に好ましく、より好ましくは少なくとも０．４Ｔ、さらにより好ましくは少なくとも０．４５Ｔ、最も好ましくは０．５Ｔ以上である。さらに、本発明者らは、ｙ軸における磁石間の空間の少なくとも７０％、より好ましくは少なくとも８０％、最も好ましくは少なくとも８５％が、少なくとも０．４Ｔ、より好ましくは少なくとも０．４５Ｔ、最も好ましくは０．５Ｔ以上の実質的に均一の磁界強度を有する磁石配置においては、実質的に向上される性能が得られることを発見した。したがって、第３の磁石とダイヤフラムの平面における少なくとも２つの磁石の一方との間の平均磁束密度は、少なくとも０．３Ｔである（本明細書で用いられるとき、平均磁束密度は、間隙［対向する磁石または隣接する磁石のいずれかの間］の少なくとも６０％に存在する磁束密度を指す）。

そのような状態は通常、比較的近接してそれぞれの固定子に高強度の磁石を配置して維持することによって達成される。大半の状況下で、そのような強度の磁石は、隣接する磁石間の引力が支援のない一つずつの形式で手で持って取り付けるためには強すぎるため、手動工程で取り付け可能ではないことを留意すべきである。したがって、磁石は、隣接する磁石間でスペーサ要素によって所定の位置に固定されることが通常、好ましい。固定子への磁石の接続は次に、当該技術分野で知られている種々の方法（任意の溝）を用いて行われてもよい。しかしながら、磁石は、高強度の接着剤（たとえば、アクリレートベースの接着剤）を用いて固定子に固定されることが一般に好ましい。スペーサ要素（たとえば、ガラス状炭素、バルサ材、グラスファイバなどを含む）が、隣接する磁石のために一定の距離を提供するだけでなく、隣接する磁石が互いに（たとえば、高強度の接着剤などを介して）固定される固着具としても作用し得ることをさらに十分認識すべきである。したがって、スペーサはまた、安定化要素としても作用し、固定子と個別の磁石との間の接合における応力を低減する。

ｙ軸における磁界強度の測定の代表的な結果が、図２Ａ（示されるように、磁石とダイヤフラムとの間の垂直距離の中で）に示されており、図２Ｂは、磁石からダイヤフラムまでの距離に等しい垂直距離にある磁石のｘ軸における磁界強度の測定を示す。図から分かるように、ｙ軸における磁界強度は、きわめて均一であり、磁石間の垂直間隙の大きな範囲にわたって強力である。そのような構成において、コイルが、少なくとも０．３Ｔ、より好ましくは少なくとも０．３５Ｔ、最も好ましくは少なくとも０．４Ｔのｘ軸における磁界強度に曝されるように、ボイスコイル（またはボイスコイルの複数のトレース）を位置決めすることが通常好ましい。磁石の特定の構造に応じて、ボイスコイルに関してトレースの正確な数は、相当変化する可能性があることを認識すべきである。したがって、１つまたは複数のトレース（通常、平行である）が、特に予想され、アクティブな（可動）ダイヤフラム領域の少なくとも５０％、より一般的には少なくとも６０％、最も一般的には少なくとも７０％が、ボイスコイルによって覆われる（用語「ボイスコイル」は、本明細書で用いられるとき、ダイヤフラム上の導電トレースを指し、複数のトレースは、図１Ａおよび図１Ｂに示されているように、互いに隣接しており、用語「ボイスコイル」はまた、２つの隣接する磁石間の間隙または上に配置される導電トレース間の空間を含む）。

間隙に対して、２つの対向する磁石（通常、同一の極性を呈する）間の垂直間隙が、相当の程度まで磁石に用いられる磁気材料の強度およびボイスコイルへの所望の電流によって決定されることが一般に検討される。しかしながら、特に好ましい態様において、２つの対向する磁石間の間隙は、少なくとも１ｍｍであり、より好ましくは少なくとも２から３ｍｍであり、最も好ましくは４から５ｍｍ（およびそれ以上）である。ダイヤフラムが、ｘ軸の方向において、少なくとも０．４Ｔ、より一般的には少なくとも０．５Ｔの平均磁界強度を確保する磁石からの垂直距離に位置決めされる場合に、そのような間隙の幅が特に好ましい。したがって、ダイヤフラムに対して垂直である平面において、少なくとも２つの磁石間の平均磁束密度が、少なくとも０．３５Ｔであり、実質的に均一である（実質的に均一とは、１５％未満の絶対値の偏差を指す）。結果として、少なくとも部分的には、磁石間の垂直間隙の大部分（少なくとも７０％、より一般的には少なくとも８０％）にわたって比較的強くて均一な磁界強度のために、ダイヤフラムは、実質的に改善した範囲の偏位を有し、数ボルトまでのきわめて広い範囲の音圧レベルの電流を生成する。したがって、以下に挙げるさらなる要因のために、ダイナミックレンジおよび効率は、実質的に向上され、全体的な高調波歪みは、実質的に削減されて、これまでに達成されなかった感度、ＳＰＬレべル範囲、透明度を可能にする。異なる観点から見れば、音圧によって移動される全体領域が、直ちに均一に電流を生成することを十分に理解すべきである。

さまざまなタイプの磁石が本明細書において提示される本発明主題と共に用いるのに適していることが検討され、特に適切な磁石は、少なくとも２０００ガウス、より好ましくは少なくとも２５００ガウス、さらにより好ましくは少なくとも３０００ガウス、最も好ましくは少なくとも３５００ガウスの表面磁界を有するネオジム磁石が挙げられる。別の観点から見れば、特に好ましい磁石としては、種々の等級（たとえば、Ｎ３５、Ｎ３８、Ｎ４２、Ｎ５０、Ｎ５４）の鉄および／またはホウ素を有するネオジム磁石が挙げられ、これらは、好ましくは１００℃の温度まで、より好ましくは１２０℃、最も好ましくは１５０℃（およびそれ以上）の動作のための温度定格を有する。あるいは、あまり好ましくない態様において、適切な磁石はまた、サマリウム−コバルト磁石が挙げられ、さらにあまり好ましくないものとして電磁石が挙げられる。

磁界密度は、磁石の列間のほか、磁石の間隙の深さに沿ってきわめて線形であることに留意すべきである。このことは、音響駆動力と可動ダイヤフラムおよびボイスコイルから最小の歪みで得られる誘導電流との間に線形関係を作り出すのに役立つ。最も好ましくはダイヤフラムは、アクティブ固定子の平面に適切に張力が加えられて引っ張られる。これは、ダイヤフラムの表面にわたって均等に分散されるきわめて強い一様な駆動力と共に、きわめて小さい歪みで良好な音質を提供する。

磁石は、好ましくは隣接する磁石においてＮ極およびＳ極が交互になるように配置され、鋼固定子が磁気回路に近いことをさらに留意すべきである。したがって、固定子は、２つ以上の目的を果たしており、すなわち、（ａ）磁石用の取り付け支持体を提供することと、（ｂ）磁石の間に磁気回路を近づけることと、（ｃ）引っ張られたダイヤフラムが接合される平面を提供することである。固定子（アクティブ固定子）の１つに、プリントまたはエッチングされた導電コイルを有する薄いダイヤフラムが、引っ張られて接合され、導電トレースは、所定のパターンで磁石間の中心に配置される。トレースは、電流が導体の同一の方向に誘導されるように、ダイヤフラムの表面上に配置される。別の観点から見れば、ダイヤフラムが方向を変えるとき、誘導電流がボイスコイルにおいて方向を変えることに留意すべきである。さらに、ダイヤフラムが可とう性であったとしても、ボイスコイルが存在する領域におけるダイヤフラムのピストン運動を提供することを留意すべきである。最も一般的には、ボイスコイルは、そのアクティブ（可動）表面の６０％を上回る部分を覆い、より一般的には、７０％を上回る部分を覆い、最も一般的には８０％を上回る部分を覆う。

基本的な構造において、検討される変換器は通常、双極子として動作する。双極子マイクロホンは、等しい強度であるが、逆位相を有するダイヤフラムの両側で音を感知する（前方音波および後方音波が変換器の側で遭遇して、相殺し、典型的な８の字形をもたらす）。したがって、側面、上部および下部の音は、ほとんど完全に相殺され、前方側および後方側の指向性が達成される。双極子変換器が閉鎖キャビネットに取り付けられる場合には、単極特性が達成される。所望であれば、開放エンクロージャを用いることができ、後方波を吸収して、著しく低減した後方感度で側面における音の相殺を維持するカージオイド特性を得ることができる。

上述の構造は、ダイヤフラムに対する力の相当の印加を可能にするため、本発明者らは、適切なダイヤフラム張力および取り付けが、検討される変換器の性能にとって重要であることと、ダイヤフラム（すなわち、膜）を引っ張るときの均一性が、高性能に著しく寄与する要因であることを認識した。したがって、本発明主題の特に好ましい態様において、ダイヤフラムのアクティブ領域の少なくとも８５％、より一般的には少なくとも９０％、最も一般的には少なくとも９５％（およびそれ以上）が、実質的に同一の張力（すなわち、特定の位置における特定の偏向のために必要な力が、別の位置における同一の偏向のために必要な力の１０％以下の絶対変動を有する）を有することが検討される。適切な張力は通常、利用される具体的な材料に左右され、当業者には、具体的な材料に関する適切な張力範囲が通知されることが検討される。一実施例において、種々のポリエステルおよび特にＭＹＬＡＲ（ＴＭ）（ＤｕＰｏｎｔ：ポリエチレンテレフタレートフィルム）が、ダイヤフラム材料として利用され、フォトリソグラフィによって堆積されるボイスコイルトレースを含む。あるいは、特にきわめて高いＳＰＬの場合には、ダイヤフラム材料はまた、ＫＡＰＴＯＮ（ＴＭ）（ＤｕＰｏｎｔ：ジアミンおよびピロメリット酸の縮合生成物）をはじめとするポリアミドフィルムを含んでもよい。適切な張力範囲は、そのような材料の技術者には知られており、これらの張力のすべて（材料の弾性範囲の上端の５０％まで、より好ましくは７０％まで、さらにより好ましくは８５％まで、最も好ましくは９５％まで）が、本明細書において用いるのに適していると考えられる。別の観点から見れば、検討される変換器のダイヤフラムには、１Ｎ／ｃｍ^２から約３０Ｎ／ｃｍ^２の力、より一般的には３Ｎ／ｃｍ^２から約２０Ｎ／ｃｍ^２の力、最も一般的には５Ｎ／ｃｍ^２から約１５Ｎ／ｃｍ^２の力が、ダイヤフラムが固定子に装着されるときに、ダイヤフラムが磁石に触れることとなる張力がかけられる。

さらに、ダイヤフラムのｘ方向およびｙ方向においてダイヤフラムに張力をかけるための力は、同一であってもよく、または異なっていてもよいことは十分に認識されるべきである。たとえば、一実施形態において、ダイヤフラムは、等しい力で張力がかけられるが、他のダイヤフラムにおいて、力は、少なくとも１０％異なり、より一般的には少なくとも２５％異なる。張力をかける方法に関係なく、張力をかける好ましい方法は、力の定量化可能な印加を可能にし、それにより一貫したバッチ間の張力印加を確保することを十分に認識すべきである。ダイヤフラムがキャリアにおいて予め張力をかけられ、予め張力をかけた状態でキャリアにおいて枠に取り付けられてもよいため、ダイヤフラムは張力がかけられることと、枠（磁石および他の構成要素を含む）が、張力下で張力をかけたダイヤフラムに取り付けられることが一般に好ましい。当該技術分野では知られている取り付け方法は数多くあり、適切な方法としては、硬化性樹脂、接着剤および他の化合物を用いた取り付け具が挙げられる。あるいは、あまり好ましくない態様において、締付け具および／または張力リッジもまた、適切である可能性がある。さらに別に検討される態様において、張力印加および取り付けもまた、市販のサービス（たとえば、ＨＰＶ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓの張力／取り付けプロトコル１４−１）を用いてもよい。均一なダイヤフラム張力印加は、共振周波数における減衰を著しく提供し、均一な周波数応答を確保し、歪みを低減することを特に十分に認識すべきである。したがって、アクティブなダイヤフラム領域の少なくとも９０から９５％の張力印加の均一性が通常、好ましい。あるいはまたはさらに、減衰材料が含まれてもよく、適切な材料は、材料を通る空気の流れを可能にするすべての材料を含む。しかしながら、特に好ましい材料としては、不織布およびフェルト（これもまた環境要因／因子からの物理的保護を提供し得る）が挙げられる。

導電トレースは、当該技術分野では知られているすべての方法において、ダイヤフラム上に形成されてもよく、好ましくはフォトリソグラフィによる方法、ダイヤフラムに導電材料を溶融圧着すること、ダイヤフラム材料に導電トレースをインサイチュで生成することなどが挙げられる。さらに、ボイスコイルは、ダイヤフラムの一方の側のみに存在することが一般に好ましいが、トレースはまた、ダイヤフラムの両側に配置されてもよい。さらに、所望であれば、導電トレースを有するダイヤフラムはまた、材料の２つの別の層（好ましくは薄層）の間に積層され、ダイヤフラムが導電材料およびに特に水に対して露出される場合には、電気絶縁を提供する。複数のダイヤフラムもまた、適切であると考えられることもさらに留意すべきである。そのような場合には、ダイヤフラムは、少なくとも一方の側にボイスコイルを保持し、通常、絶縁材料の交差層を含む。

特に好ましい態様において、ダイヤフラムの少なくとも一部（最も一般的には、ボイスコイルを含んでいる部分）は、電気絶縁材料の層によって覆われ、この層は、当該技術分野では知られている数々の方法でダイヤフラムに堆積されてもよい。他のオプションの中で、絶縁層は、１つの層において吹き付け被覆、積層または他の方法で堆積されてもよいことが検討される。同様に、ダイヤフラムおよび／またはボイスコイルを覆うために利用可能な適切な絶縁材料が数多くあり、特に検討される材料としては、種々の任意の置換ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートなどが挙げられる。あるいは、絶縁層はまた、ダイヤフラムの上に被覆される熱可塑性材料または蒸着の上に重合および／またはゲル化される材料であってもよい。そのような変換器は有利には、ハイドロホンとして深さに関係なく、水中で用いられてもよい。検討される変換器は既に、非常に優れた指向性を呈するため、水における音の伝搬のために、検討されるハイドロホンは、きわめて高い感度および指向性のマイクロホンを提供することを留意すべきである。他の用途の中で、そのようなマイクロホンは、水中作業（自然およびその他）のためのリスニングデバイスとして利用されてもよく、たとえば、ブイベースのマイクロホンネットワークまたは展開可能なリスニングデバイスとして利用されてもよい。

特定の音圧レベルがダイヤフラムを移動する力を生成するため、マイクロホン感度は一般に、ダイヤフラム表面に左右されることを留意すべきである。より高い力がダイヤフラムをさらに動かし、したがって、より高い電圧を生成する。本明細書において検討される変換器は、強い磁界の中で、ダイヤフラム偏位に関して広い範囲を提供するため、ダイヤフラムが強く張力をかけられた膜であるため、検討される平面磁気変換器は、きわめて高いＳＰＬに関して、通常、圧縮または他の信号操作を必要とすることなく、きわめて感度が高く、指向性できわめて低い歪みのマイクロホンとして用いられることができる。さらに（他の要因の中で）、ダイヤフラムを固定子または減衰材料に押し付けるために、相当の力が必要とされるため、きわめて大きな音（たとえば、＞１６０ｄｂ、ジェットエンジン、ロケットエンジン、爆発などの近い位置での記録）を歪みなしで記録することができる。

複数の平面磁気変換器のアレイに対して、アレイの具体的な幾何構成は、マイクロホンの音響性能を少なくとも部分的に決定することを十分に認識すべきである。たとえば、アレイが凸形または他の確実に湾曲された幾何構成（正の曲率は水平および／または垂直であってもよい）を有する場合には、捕捉範囲は、より広い角度を含んでもよい。他方、複数の（たとえば、２４個またはそれ以上の）変換器が、平面型アレイにおいて利用される場合には、捕捉範囲は、比較的狭くてもよい（通常、１０°未満）。平面磁気変換器の１つの例示の６×４平面型アレイが、図３に示されている。

検討される変換器およびアレイは、種々の方法で利用されてもよく、知られている方法のすべてが本明細書において用いるのに適していると考えられる。しかしながら、変換器およびアレイは、高い感度および／または指向性が特に望ましい構造および方法において利用されてもよいことが特に好ましい。たとえば、観察システムは、平面磁気変換器の複数のアレイ（たとえば、地上または水中であってもよい）を含んでもよく、アレイのそれぞれは、音の指向性捕捉を可能にするように構成される。最も好ましくは、必須ではないが、指向性捕捉は、カージオイド特性または単極特性を有する。そのようなシステムはさらに、アレイの少なくとも２つに電子的に接続され、音放射物体の１つ以上の情報パラメータを決定するように構成される処理ユニットを含む。

たとえば、図４は、個別のアレイ４２０Ａ、４２０Ｂおよび４２０Ｃを有する例示の観察システム４００を概略的に示す。各アレイは、処理ユニット４３０に電子的に接続され、複数のアレイに電子的に接続され、電気信号をアレイの少なくとも１つに供給するように構成され、それにより、スピーカとしてアレイの少なくとも１つを動作する増幅器４４０をさらに含んでもよい（増幅器は、アレイと一体であってもよく、または処理ユニットから分離されてもよい）。最も好ましくは、アレイのそれぞれは、アレイの少なくとも一時的に静止した用途を可能にするベースユニット４２２Ａ（４２２Ｂ、４２２Ｃ）を含む。そのようなベースユニットは最も好ましくは、少なくとも１つの空間軸を中心としたアレイの動きを可能にするように構成される。次に、少なくとも１つのアレイ４２４Ａ（４２４Ｂ、４２４Ｃ）が、ベースユニットに接続され、最も好ましくは、指向性の構造を有するマイクロホンアレイ（たとえば、平面型単極６×４アレイ）として動作される。さらなるアレイ４２６Ａ（４２６Ｂ、４２６Ｃ）は、同一のベースユニットに接続されてもよく、第１のアレイに対して独立に可動であってもよい。アレイは、陸上用途、水中用途または空中用途のために構成されてもよい。

アレイによって取得される信号は次に、信号が情報パラメータに関して解析される処理ユニットに送信される。音放射物体４１０の性質に応じて、情報パラメータは相当変化してもよいことを十分に認識すべきである。たとえば、音放射物体が移動物体である場合には、情報パラメータは、物体の距離、物体の速度、物体の数および／または物体のサイズを含んでもよい。他方、音放射物体が、地形である場合には、情報パラメータは、物体の距離、物体の化学組成、物体のサイズなどを含んでもよい。さらに別の実施例において、音放射物体は、音源であってもよく、情報パラメータは、通信信号（たとえば、符号化信号または音声信号）を含んでもよい。したがって、処理ユニットは、音解析、三角法、反響位置決定法および／または地震観測法を行うためにプログラムされてもよいことを認識すべきである。

さらに、同一のマイクロホン変換器はまた、電流がボイスコイルに送り出されるスピーカとして用いられることもできることを留意すべきである。そのようなシナリオにおいて、強い磁界および張力をかけたダイヤフラムの利点は、きわめて高い音圧レベル（たとえば、１４０ｄｂより高い）で正確な方法で、フルレンジ（すなわち、少なくとも１００Ｈｚから２０ｋＨｚ）における音を再現する能力にそのまま言い換える。検討される変換器および特に検討される変換器のアレイは、変換器が、指向性スピーカおよび／またはきわめて感度が高く指向性で歪みの低いマイクロホンとして動作されることができるように構成されることができる。最も一般的には、両方の用途向けの電子回路が、別個に提供されるが、組み合わせた動作ユニットにおいて提供されることもできる。したがって、同一の変換器の機能は、たとえば、スイッチの切り替えまたはマウスのクリックで逆転させることができ、音を生成するために、増幅器から変換器への音声信号の供給または変換器によって取得された音を再現するために、増幅器への変換器信号の経路指定を行う。

したがって、検討される変換器は、正確な音（再現）生成および感度を有する長距離「トランシーバ」として用いられることができることを十分に認識すべきである。予備試験は、強力スピーカとして変換器アレイを用いて数百メートル離れた人にメッセージを明瞭に送ることができ、スイッチの切り替えによって、マイクロホンとして同一のアレイを用いて返事を拾うことができることを示した。同様に、防水変換器が利用される場合には、「トランシーバ」スタイルで潜水艦の間で音を送ることができることが検討される。したがって、比較的大きなアレイを利用することによって、実時間音声メッセージを数マイルの距離にわたってやりとりすることができる。たとえば、一方の潜水艦のアレイは、音声メッセージを送るために、スピーカとして用いられることができ、他方の潜水艦では、アレイは、メッセージを拾うために、感度の高い指向性マイクロホンとして用いられることができる。検討されるシステムを用いて、音声通信のみが伝送されることができるのではなく、（たとえば、潜水艦の間の水中モデム通信を可能にするストリーミングデータの送受信を行うために）ディジタル信号もまた伝送することができることを認識されるべきである。そのような場合には、毎秒ビットレートは、送られる信号がアレイの作動周波数範囲１００Ｈｚから２０ＫＨｚの範囲内にあるように調整されることができる。同一の原理はまた、空中にも適用されることができる。

さらに検討される用途としては、２つ以上の変換器が通信手段のほか、三角法用の指向性信号受信器として利用される探索および救助作業が挙げられる。たとえば、自然災害後または戦争状態において、人々は、倒壊した建物内に閉じ込められる可能性がある。検討される変換器を用いて、大声または明瞭なメッセージが、雑音または話し声を大きくするように、閉じ込められた人々に対して指示することによって送信されることができる。次に、変換器は、マイクロホン用途に切り替えて、廃墟から低い音レベルを指向性によって拾い上げることができる。ある程度の距離離れた少なくとも２つのマイクロホンアレイが用いられる場合には、三角法または他の幾何的な方法を利用して、閉じ込められた個人の位置を決定することができる。

そのような通信システムに関する例示の構造が、図５に概略的に示されている。ここでは、通信システム５００は、変換器のボイスコイルからの第１の電気信号を増幅するように構成される第１の増幅器５２０に電子的に接続される４つのフルレンジの平面磁気変換器を含んでいるアレイ５１０を有する。第２の増幅器５３０は、フルレンジの平面磁気変換器に電子的に接続され、第２の電気信号を変換器のボイスコイルに提供する。最も一般的には、切り替えデバイス５４０は、アレイ５１０から入ってくる信号およびアレイ５１０に出ていく信号を分離する。たとえば、音声信号５３４は、スピーカモードにおいて、変換器アレイのダイヤフラムを駆動するのに十分な電流５３２を生成するために、増幅器５３０によって増幅されるディジタル音源（図示せず）からの回線レベル信号であってもよい。そのようなモードにおいて、１３０ｄｂまでの音圧および１３０ｄｂを超える音圧は、容易に達成されることができる。一旦、音メッセージが送り出されると、切り替えデバイス５４０は、アレイ５１０を増幅器５２０と接続するように設定される。このモード（マイクロホンモード）において、アレイ５１０のダイヤフラムによって拾い上げられた音は、電流５２２（通常、回線レベルで）に変換され、次に、検出された音信号５２４を生成するために、増幅器５２０に経路指定される。音信号５２４は、ディジタル化されてもよく、またはディジタル化されなくてもよい。当然のことながら、増幅器５２０および５３０は、１つのデバイスに内蔵されることができ、増幅器の少なくとも１つは、アレイと同一の場所に配置されてもよいことは認識されるべきである。さらに、本明細書において検討されるすべての接続は、電気接続、ワイヤレス接続および／または光学接続であってもよい。

したがって、フルレンジの平面磁気マイクロホンおよびそのアレイの特定の実施形態および適用が、開示されている。しかしながら、既に記載した修正以外の多くの修正が、本明細書の本発明の概念から逸脱することなく可能であることは、当業者には明白であるべきである。したがって、本発明主題は、本開示の主旨を除き、限定されるべきではない。さらに、本明細書および検討される請求項を解釈する際、すべての用語は、内容が一致する最も広範な可能な方法に置いて解釈されるべきである。特に、用語「含む」および「含んでいる」は、要素、構成要素またはステップを非排他的な方法で指し、参照される要素、構成要素またはステップが存在してもよく、または利用されてもよく、明確に参照されない他の要素、構成要素またはステップと組み合わせられてもよいことを示しているものと解釈されるべきである。さらに、本明細書に参照により組み込まれる参考文献における用語の定義または使用が、本明細書に提供される用語の定義と一致しないか、または相反する場合には、本明細書において提供された用語の定義が適用され、参考文献におけるその用語の定義は適用しない。

Claims (20)

1. 音の記録方法であって、
   複数の磁石と、少なくとも２つの磁石の間に配置される張力をかけたダイヤフラムとを有する平面磁気変換器を設けるステップと、ダイヤフラムが、ボイスコイルを含み、磁石が、
   （ａ）少なくとも２つの磁石の間の距離が少なくとも１ｍｍであり、（ｂ）ダイヤフラムに対して垂直である平面における少なくとも２つ磁石の間の平均磁束密度が、少なくとも０．３５Ｔであり、実質的に均一であり、（ｃ）第３の磁石とダイヤフラムの平面における少なくとも２つの磁石の一方との間の平均磁束密度が、少なくとも０．３Ｔであるように互いに対して配置され、さらに方法は
   電気信号をボイスコイルから増幅器に供給するステップとを含む、音の記録方法。
2. ダイヤフラムが、圧縮および歪みのない状態で、１０ｄｂから１００ｄｂの範囲の音圧レベルで、１００Ｈｚから２０ｋＨｚの周波数を有する音の記録を可能にするように十分に張力がかけられる、請求項１に記載の方法。
3. ダイヤフラムが、圧縮および歪みのない状態で、１０ｄｂから１４０ｄｂの範囲の音圧レベルで、１００Ｈｚから２０ｋＨｚの周波数を有する音の記録を可能にするように十分に張力がかけられる、請求項１に記載の方法。
4. 変換器が、水中に沈められる、請求項１に記載の方法。
5. ダイヤフラムが、電気絶縁層で被覆され、水中での記録を可能にする、請求項４に記載の方法。
6. 変換器が、上部および下部を有し、ダイヤフラムが、上部と下部との間に配置され、上部および下部が、変換器の外側で水と流体連通状態にある複数の開口部を有する、請求項４に記載の方法。
7. 第２の平面磁気変換器を設けるステップと、第２の平面磁気変換器を平面磁気変換器に接続し、それによって変換器のアレイを形成するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 変換器のアレイが、２から３０個の個別の平面磁気変換器を含む、請求項７に記載の方法。
9. アレイが、音の指向性捕捉を可能にするように構成される、請求項７に記載の方法。
10. アレイが、５０ｃｍ^２から１０００ｃｍ^２のアクティブな変換器膜領域を有する実質的に平坦なｎ１×ｎ２構成を有し、ｎ１およびｎ２が独立に、２から１２（両端値を含む）の間の整数であり、ｎ１／ｎ２が、０．４から２．５（両端値を含む）である、請求項７に記載の方法。
11. 電気信号が、少なくとも１００ｍＶの最大電圧を有する、請求項１に記載の方法。
12. 第２の電気信号を変換器に供給し、それにより、変換器がマイクロホンとして動作されないときには、スピーカとして変換器を動作するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. 第２の電気信号が、変換器に変換器から１ｍの距離で１０ｄｂから１００ｄｂの範囲の音圧レベルで、１００Ｈｚから２０ｋＨｚの周波数を有する音を生成させる、請求項１２に記載の方法。
14. 観察システムであって、
    任意に水中作動の平面磁気変換器の複数のアレイを含み、アレイのそれぞれが、音の指向性捕捉を可能にするように構成され、
    アレイの少なくとも２つに電子的に接続され、音放射物体の少なくとも１つの情報パラメータを決定するように構成される処理ユニットを備える、観察システム。
15. 情報パラメータが、音放射物体の位置、音放射物体のタイプ、音放射物体の速度および音放射物体の通信信号からなる群から選択される、請求項１４に記載の観察システム。
16. 複数のアレイが、水中使用を可能にするように構成される、請求項１４に記載の観察システム。
17. 処理ユニットが、三角法、反響位置決定法および地震観測法からなる群から選択される少なくとも１つの動作を行うように構成される、請求項１４に記載の観察システム。
18. 複数のアレイに電子的に接続され、電気信号をアレイの少なくとも１つに供給するように構成され、それにより、スピーカとしてアレイの少なくとも１つを動作する増幅器をさらに含む、請求項１４に記載の観察システム。
19. 通信システムであって、
    変換器のボイスコイルから第１の電気信号を増幅するように構成される第１の増幅器に電子的に接続されるフルレンジの平面磁気変換器と、
    フルレンジの平面磁気変換器に電子的に接続され、第２の電気信号を変換器のボイスコイルに提供するように構成される第２の増幅器とを含み、
    第１の増幅器がさらに、第１の電気信号から音声出力信号を生成するように構成され、
    第２の増幅器が、変換器から１ｍの距離で１０ｄｂから１００ｄｂの範囲の音圧レベルで、１００Ｈｚから２０ｋＨｚの周波数を有する音を生成するために変換器を駆動するように構成される、通信システム。
20. フルレンジの平面磁気変換器が、複数のフルレンジの平面磁気変換器のアレイの一部である、請求項１９に記載の通信システム。

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