JP2019193218A - 電気機械変換器及び電気音響変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】アーマチュアの中心軸に対する傾きを抑制し、性能の向上と小型化に適した電気機械変換器等を提供する。【解決手段】電気機械変換器は、磁石（１５）、ヨーク（１０、１１）、コイル（１２）を一体的に配置した構造部と、Ｘ方向の中心軸（１３ｃ）に沿って構造部の内部空間を貫く内側部とその両側の外側部を有し、構造部と磁気回路を構成してＺ方向に変位するアーマチュア（１３）と、アーマチュアに復元力を付与する弾性部材（１４）とを備える。各弾性部材には、第１の係合部（Ｅ１）及び第２の係合部（Ｅ２）が形成され、第１の係合部を介して各々の弾性部材と構造部との間においてＺ方向の力が作用する幅は第１の距離（２ｂ）を有し、前記第２の係合部を介して各々の前記弾性部材と前記外側部との間においてＺ方向の力が作用する幅はＹ方向で第２の距離（２ａ）を有し、２ａ＞２×２ｂの寸法条件に設定される。【選択図】図１０

Description

本発明は、電気信号を機械振動に変換する電気機械変換器、及び、電気信号を音響に変換する電気音響変換器に関し、特にアーマチュア、ヨーク、コイル、磁石等からなる駆動部を備えた電気機械変換器及び電気音響変換器に関するものである。

バランスド・アーマチュア形の電気音響変換器は、アーマチュア、ヨーク、コイル、及び磁石などを備え、コイルに供給される電気信号に応じてアーマチュアを駆動し、アーマチュアと他の部材との間の相対振動を音響に変換するように構成される。例えば、アーマチュアがヨークに対してバネ部材を介して位置決めされる構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の図３及び図４に示すように、アーマチュアに係合する上下１対のバネ部材がヨークとの間に介在しているので、アーマチュアの設計の自由度を高めて小型高出力化できる構造となっている。上記の構造を採用する場合において十分な性能を確保するためには、ヨークの位置に対してアーマチュアの位置を適切に定めることが求められ、そのためにはアーマチュアとヨークの間に置かれるバネ部材の役割が重要である。

特許第５６５３５４３号公報

特許文献１の構造を採用する場合のアーマチュアの位置は、上下に配置される磁石との間の空隙をできる限り等しくすることに加えて、アーマチュアがその長手方向となるＸ方向に延びる中心軸（以下、単に「中心軸」という）に対して回転して傾くことがないことが望ましい。前述の特許文献１の構造は、アーマチュアの上下方向の位置決めには有効であるが、アーマチュアの中心軸に対する傾きを抑制する効果は不十分である。具体的には、特許文献１の図４を参照すると、各々のバネ部材は、ヨーク及びアーマチュアに係合する上下の部分の寸法が互いにほぼ等しくなっている。通常、バネ部材は撓んだ状態で配設されるが、機械加工部品であることから、その形状はある程度のバラツキを有する。そのため、バネ部材が均一に撓まず、その結果としてアーマチュアがその中心軸に対し回転して傾き、エアギャップが平行な隙間にならないという問題がある。アーマチュアが傾いた状態では、電気機械変換器の所望の性能が得られないことや、性能のバラツキにつながり、歩留まりの低下が懸念される。特に、電気機械変換器を大型化してアーマチュアの幅を拡大した場合には、一層アーマチュアが傾きやすくなるため問題が大きくなる。

本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、アーマチュアがヨークに対してバネ部材を介して位置決めされる構造を採用する場合、アーマチュアの中心軸に対する傾きを抑制することで、良好な性能が確保でき構造上の自由度が高い電気機械変換器を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明は、電気信号を機械振動に変換する電気機械変換器において、少なくとも１対の磁石（１５）と、前記磁石による磁束を導くヨーク（１０、１１）と、前記電気信号が供給されるコイル（１２）とを一体的に配置した構造部と、第１の方向（Ｘ方向）に延びる中心軸に沿って前記構造部の内部空間を貫く内側部（１３ａ）と当該内側部の両側に突出した外側部（１３ｂ）とが形成され、前記内側部のうち互いに逆向きの前記磁束が導かれる２つの領域を介して前記構造部と磁気回路を構成し、前記磁気回路の磁気力により前記第１の方向と直交する第２の方向（Ｚ方向）に変位するアーマチュア（１３）と、両側の前記外側部の各々を前記第２の方向に挟んで対称配置され、前記磁気回路の磁気力による前記アーマチュアの変位に応じた復元力を前記外側部にそれぞれ付与する弾性部材（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ）を備えて構成される。各々の前記弾性部材には、前記構造部に係合する第１の係合部（Ｅ１）、前記外側部に係合する第２の係合部（Ｅ２）が形成され、前記第１の方向及び前記第２の方向に垂直な方向を第３の方向（Ｙ方向）としたとき、前記第１の係合部を介して各々の前記弾性部材と前記構造部との間において、前記第２の方向の力が作用する幅は前記第３の方向で第１の距離（２ｂ）を有し、前記第２の係合部を介して各々の前記弾性部材と前記外側部との間において、前記第２の方向の力が作用する幅は前記第３の方向で第２の距離（２ａ）を有し、前記第１の距離に比べ、前記第２の距離を２倍以上とすることで、前記弾性部材と前記構造部材との間の力によって生じる前記アーマチュアの前記中心軸回りのモーメントを小さくし、かつ前記第２の距離を大きくすることによって前記アーマチュアが前記中心軸に対して回転し難くする。

本発明の電気機械変換器によれば、弾性部材の各々は、第１の係合部を介して構造部に係合するとともに、第２の係合部を介してアーマチュアの外側部に係合しており、所定位置に位置決めされたアーマチュアがコイル電流による磁気力により相対的に変位したときにアーマチュアに復元力を付与する。各々の弾性部材においてアーマチュアの中心軸に対して対称的な力が作用するが、弾性部材と構造部との間の力が作用する幅である第１の距離（２ｂ）と、弾性部材と外側部との間の力が作用する幅である第２の距離（２ａ）とに関して、２ａ＞２×２ｂの関係を設定することにより、アーマチュアの中心軸に対する傾きを抑制することができる。これにより、アーマチュアの設計の自由度を高めつつ、電気機械変換器等においてアーマチュアが傾くことに起因する性能の劣化を確実に防止することができる。

また、上記課題を解決するために、本発明は、電気信号を機械振動に変換する電気機械変換器において、前述と同様の構造部、アーマチュア、弾性部材を備えて構成され、前記弾性部材、前記構造部及び前記外側部を含む領域を、前記第１及び第２の方向に平行かつ前記中心軸を含む平面により第１の領域と第２の領域とに区分し、前記第１の方向及び前記第２の方向に垂直な方向を第３の方向としたとき、前記第１の係合部を介して各々の前記弾性部材と前記構造部との間において前記第２の方向に作用する力を、前記第１の領域の第１の作用点に作用する第１の合力と、前記第２の領域の第２の作用点に作用する第２の合力とで表し、かつ、前記第２の係合部を介して各々の前記弾性部材と前記外側部との間において前記第２の方向に作用する力を、前記第１の領域の第３の作用点に作用する第３の合力と、前記第２の領域の第４の作用点に作用する第４の合力とで表すと、前記第３の方向において、前記第１の作用点と前記第２の作用点との間の第１の距離に比べ、前記第３の作用点と前記第４の作用点との間の第２の距離が２倍以上に設定される。このような構造によっても、前述と同様、本発明の作用効果を実現することができる。

本発明において、ヨークには、第１の方向の両側の領域に弾性部材がそれぞれ第１の係合部を介して係合するアンカー部材を取り付けることができる。これにより、第１の係合部の幅に合わせて、ヨークの弾性部材係合部の幅を小さくしなくてもよいので、ヨークを厚くすることなくアンカー部材を介して弾性部材を係合でき、加工容易性やサイズの小型化の面で有利となる。例えば、各々のアンカー部材を、第１の距離と等しい幅を有する略矩形の断面形状に形成すればよい。

本発明において、アーマチュアの両側の外側部には、その中心軸と第２の方向を含む平面に対して対称的な位置に第２の係合部を介して弾性部材が係合する切欠部を形成することができる。このように、アーマチュア自体に切欠部を形成するので、専用の特別な部材を設ける必要がなくなる。また、アーマチュアと弾性部材との位置決めが容易であり、組み立て易い構造となる。

本発明において、弾性部材として、板状部材を折り曲げ加工して形成された１対のバネ部材を用いることができる。バネ部材の各々の弾性力を適切に設定することにより、所望の復元力を与えることができる。

また、上記課題を解決するために、本発明の電気音響変換器は、前述のいずれかの電気機械変換器と、前記電気機械変換器が発生した振動に応じて音圧を発生する振動板とを備えて構成される。本発明の電気音響変換器においても、上述の電気機械変換器と同様の作用、効果を得ることができる。

本発明によれば、アーマチュアに対して変位に応じた復元力を与える弾性部材の各々は、構造部とアーマチュアの外側部とに係合しており、その寸法条件として中心軸に対称なそれぞれの２つの合力の作用点間の距離の関係を規定することにより、アーマチュアが中心軸に対して傾きにくい構造を実現することができる。よって、アーマチュアの傾きに起因する性能劣化を有効に防止でき、弾性部材の選別の許容範囲を広げ、歩留まりが高く、良好な性能が確保でき構造上の自由度が高い電気機械変換器等が実現可能となる。

本実施形態の電気機械変換器における駆動部をＺ方向の一方から見たときの上面図である。 図１の電気機械変換器における駆動部をＹ方向の一方から見たときの正面図である。 図１の電気機械変換器における駆動部をＸ方向の一方から見たときの側面図である。 本実施形態の電気機械変換器における磁気回路部及びバネ部材を含む範囲の分解斜視図である。 磁気回路部を構成する構造部及びアーマチュアの断面を模式的に表した図である。 バネ部材の全体構造を示す斜視図である。 バネ部材の変形例の全体構造を示す斜視図である。 ヨークに設けたアンカー部材の変形例を示す図である。 バネ部材に対応するアーマチュアの構造の変形例を示す図である。 アーマチュアの傾きに関する考察に使用した力学モデルを説明する図である。 釣り合いの状態にあるアーマチュアに仮想的な微小回転を想定した場合の図である。 本実施形態において、図１０と同様のバネ部材が、アールを有する断面形状のアンカー部材に係合している部分の模式的な構造例を示す図である。 本実施形態のスピーカユニットの全体構造を示す正面図である。 図１３のスピーカユニットの分解斜視図である。

本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明を適用した形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。以下では、電気信号を機械振動に変換する電気機械変換器、及び、電気信号を音響に変換する電気音響変換器に対して本発明を適用した実施形態について説明する。

以下、図１〜図４を参照して、本実施形態の電気機械変換器の基本構造について説明する。図１〜図４では、互いに直交するＸ方向（本発明の第１の方向）、Ｙ方向（本発明の第３の方向）、Ｚ方向（本発明の第２の方向）をそれぞれ矢印にて示している。本実施形態の電気機械変換器は、上、下、左、右の方向性を持たないが、以下では説明の便宜のため、各図面内（紙面）の方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に応じて、上、下、左、右の方向を記載する場合がある。

図１〜図４では、本実施形態の電気機械変換器における駆動部を構成する１対のヨーク１０、１１と、コイル１２と、アーマチュア１３と、４個のバネ部材１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ（以下、単にバネ部材１４と総称する場合がある）と、２対（４個）の磁石１５とを示している。この駆動部のうち、１対のヨーク１０、１１、コイル１２、４個の磁石１５は、一体的に配置された本発明の構造部として機能する。すなわち、構造部の内部空間を貫くアーマチュア１３が両側の２対のバネ部材１４を介して構造部に対し可動となるように配置されている。なお、本発明の駆動部自体が電気機械変換器であり、多くの応用が可能である。一例を挙げれば、本実施形態では示されないが、駆動部のアーマチュア１３の両端でハウジングに固定することにより、その全体が一体的にハウジングに収容されて、補聴器や音響機器等に使用される振動子として構成することができる。

１対のヨーク１０、１１は、上部のヨーク１０と下部のヨーク１１がＺ方向に対向配置された状態で、例えば溶接により一体的に固定される。ヨーク１０、１１の材料としては、例えば、４５％Ｎｉのパーマロイ等の軟磁性材料を用いることができる。また、上下のヨーク１０、１１の内面側の中央に挟まれるように空芯のコイル１２が配置される。コイル１２には、Ｘ方向に開口する貫通孔が形成されるとともに、Ｙ方向の両端に設けられた１対の電極１２ａ（図２参照）がコイル１２と電気的に接続されている。コイル１２は、ヨーク１０、１１の内面側と接着剤で固定されている。

図４に示すように、ヨーク１０、１１の内面側のＸ方向の両端部には、４個の板状の磁石１５が対称的に配置されている。すなわち、ヨーク１０、１１のＸ方向に関し、一端側で上下に対向する１対の磁石１５と、他端側で上下に対向する１対の磁石１５が、それぞれヨーク１０、１１の内面側に接着固定されている。また、それぞれ対向する１対の磁石１５の間には空間が形成され、後述の磁気回路の一部をなす。

ヨーク１０、１１の各々には、磁石１５の位置からＸ方向の両側に突出した部分にアンカー部材２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ（以下、単にアンカー部材２０と総称する場合がある）が固定されている。これらのアンカー部材２０の各々は、例えば、ＳＵＳ３０４等の材料からなる薄板状の部材を折り曲げ加工して形成され、Ｙ方向の中央が凸状に突出する断面構造を有している。なお、アンカー部材２０の役割は、バネ部材１４ａ〜１４ｄとヨーク１０、１１とを係合することであるが、詳細については後述する。ここで、アンカー部材２０を設ける代わりに、ヨーク１０、１１をバネ部材１４ａ〜１４ｄと直接係合可能な形状とすることも可能である。ただし、このような構造を有するヨーク１０、１１は、それらがバネ部材１４ａ〜１４ｄと係合する部分の幅を小さくする必要があるので、バネ部材１４ａ〜１４ｄから受ける力による変形が起きないよう十分な厚さを確保する必要があるのに対し、アンカー部材２０を設ければヨーク１０、１１を相対的に薄くでき、加工容易性やサイズの面で有利となる。

アーマチュア１３は、Ｘ方向に長尺の平板状部材であり、Ｘ方向の一端側の１対の磁石１５の間の空間と、コイル１２の貫通孔と、Ｘ方向の他端側の１対の磁石１５の間の空間をそれぞれ貫くように配置されている。コイル１２をアーマチュア１３の中央に配置した状態で、アーマチュア１３と２対（４個）の磁石１５との間には平行な隙間が形成されており、それぞれの隙間がエアギャップＧ１〜Ｇ４（図５参照）を構成する。４カ所のエアギャップＧ１〜Ｇ４は互いにサイズ及び形状が等しく、アーマチュア１３が通常動作の範囲内でＺ方向に変位したとき、コイル１２及び磁石１５と接触しない程度の適当な隙間となるように形成される。なお、本実施形態においては、ヨーク１０、１１、コイル１２、及び２対（４個）の磁石１５を含む構造部と、アーマチュア１３とが一体的に磁気回路を構成する。この磁気回路の構成と作用については後述する。

アーマチュア１３は、ヨーク１０、１１に対向する空間（構造部の内部空間）を貫く内側部１３ａと、内側部１３ａの両側に突出した外側部１３ｂからなる。内側部１３ａは、Ｙ方向で各々の磁石１５と同程度の幅の矩形部分として形成され、外側部１３ｂは、Ｙ方向で内側部１３ａよりも細い幅で形成される。また、両方の外側部１３ｂには、Ｙ方向の両側のうち内側部１３ａの近傍側を部分的に切り欠いた計２対の切欠部Ｃ（計４個）が形成されている。なお、切欠部Ｃの役割は、バネ部材１４ａ〜１４ｄとアーマチュア１３とを係合することであるが、詳細については後述する。アーマチュア１３の材料としては、ヨーク１０、１１と同様、例えば、４５％Ｎｉのパーマロイ等の軟磁性材料を用いることができる。

４個のバネ部材１４（本発明の弾性部材）は、それぞれ板状部材を折り曲げ加工して形成された板バネからなる。Ｘ方向の一端側には１対のバネ部材１４ａ、１４ｂがアーマチュア１３の一方の外側部１３ｂを挟んでＺ方向に対称的な配置で取り付けられ、Ｘ方向の他端側には１対のバネ部材１４ｃ、１４ｄがアーマチュア１３の他方の外側部１３ｂを挟んでＺ方向に対称的な配置で取り付けられる。バネ部材１４の役割は、アーマチュア１３が磁気回路内で構造部に対してＺ方向に相対的に変位したとき、その変位の大きさに比例する復元力をアーマチュア１３に与えることにある。バネ部材１４の材質としては、例えば、ＳＵＳ３０１等のステンレス鋼材を用いることができる。

ここで、本実施形態の電気機械変換器における前述の磁気回路としての基本的な動作について説明する。図５は、図２の方向から見た電気機械変換器の磁気回路部を構成するヨーク１０、１１、コイル１２、アーマチュア１３、４個の磁石１５を含む範囲の断面を模式的に表した図である。磁気回路部を構成しない他の部材については図示を省略する。図５の左側の１対の磁石１５は上方向に磁化され、図５の右側の１対の磁石１５は下方向に磁化されている。このように磁化された４個の磁石１５により、ヨーク１０、１１及びアーマチュア１３には、実線矢印にて示す磁束Ｂ１が発生する。アーマチュア１３において、左側の２個の磁石１５に挟まれた領域と、右側の２個の磁石１５に挟まれた領域とは、内側部１３ａのうち互いに逆向きの磁束Ｂ１が導かれる２つの領域に相当する。

磁束Ｂ１のうち前述のエアギャップＧ１〜Ｇ４を通る磁束による磁気力がアーマチュア１３に作用する。具体的には、アーマチュア１３に対し、上側のギャップＧ１、Ｇ３の磁気力が強くなると上向きの力が作用し、下側のギャップＧ２、Ｇ４の磁気力が強くなると下向きの力が作用する。これら４つの力が釣り合っていない場合には、アーマチュア１３は力の大きい方に変位する。アーマチュア１３はコイル１２に電流が流れていないときに上記４つの力が釣り合うように組み立てられる。このとき、ギャップＧ１を通る磁束とギャップＧ２を通る磁束がほぼ等しく、かつ、ギャップＧ３を通る磁束とギャップＧ４を通る磁束もほぼ等しくなり、アーマチュア１３のうちコイル１２に囲まれた部分には正味の磁束が流れない状態にある。

この状態でコイル１２に電流を流すと、アーマチュア１３の内側部１３ａには、コイル電流の方向に応じて、例えば、図５の点線矢印で示す磁束Ｂ２が発生する。このとき、図５における各磁束Ｂ１、Ｂ２の方向性を考慮すると、磁束Ｂ２の発生により、上側のギャップＧ１、Ｇ３の磁束はそれぞれ減少し、下側のギャップＧ２、Ｇ４の磁束はそれぞれ増加するので、アーマチュア１３が下向きの磁気力を受けて下向きに変位する。その結果、４個のバネ部材１４により、下向きに変位したアーマチュア１３を元の位置に戻そうとする復元力が作用し、静的には、この復元力と磁気力が釣り合う位置までアーマチュア１３は変位する。なお、コイル電流が上記と逆向きである場合は、アーマチュア１３が上向きの磁気力を受けて上向きに変位する状態を想定すればよい。

ここで、ヨーク１０、１１、コイル１２、４個の磁石１５からなる構造部と、アーマチュア１３との相対振動は、前述のコイル電流に応じて発生する駆動力により生じるものである。アーマチュア１３の両端とハウジングとを十分な剛性をもって固定することで、アーマチュア１３と構造部との間に発生した駆動力は、アーマチュア１３を通してハウジングに伝達されて振動を生じさせる。以上のように、本実施形態の電気機械変換器は、外部から印加される電気信号に対応する機械振動を発生するように構成される。

また、本実施形態のアーマチュア１３と両側の２対のバネ部材１４との関係については、例えば、特許文献１（図７、図８及びその比較説明）に記載されており、駆動力と変位量の両方を大きくして小型高出力の電気機械変換器の実現が可能である。

次に図６は、バネ部材１４の構造例を示す斜視図である。なお、図６の構造は、配置の対称性に鑑み、４個のバネ部材１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄについて共通である。図６に示すように、バネ部材１４は、Ｙ方向の両側の２つの湾曲部Ｃ１、Ｃ２と、ヨーク１０、１１のアンカー部材２０ａ〜２０ｄに係合する係合部Ｅ１と、アーマチュア１３の外側部１３ｂの切欠部Ｃに係合する１対の係合部Ｅ２とを含む。係合部Ｅ１は、１つの内向き凹部の構造を有するのに対し、１対の係合部Ｅ２は、板バネの１対の先端部が内側に折り曲げられＬ字形状を形成して対向する構造を有する。このようにバネ部材１４は、本実施形態の電気機械変換器に組み込んだ状態で、係合部Ｅ１、Ｅ２を介してＺ方向の上下のヨーク１０、１１の各々に設けたアンカー部材２０とアーマチュア１３との間に挟持される。この場合、バネ部材１４はＺ方向に若干潰れた状態で保持されるが、Ｘ方向及びＹ方向の動きは係合部Ｅ１、Ｅ２と切欠部Ｃ、アンカー部材２０の形状により規制される。

バネ部材１４としては、図６の構造例に限られることなく多様な変形が可能であり、例えば、図７の変形例の構造を採用することができる。図７の変形例は、バネ部材１４の１対の係合部Ｅ２に補強板２２を取り付けた構造を有し、バネ部材１４の全体がひとつながりのリング状になっている。本変形例においては、補強板２２を設けたことでバネ部材１４がＹ方向に変形し難くなるので、１対の係合部Ｅ２間のサイズを一定に保持することができる。補強板２２は、バネ部材１４と同程度の厚さの矩形の板状部材であって、例えば、両端部を１対の係合部Ｅ２の内側表面に溶接することでバネ部材１４に取り付けられる。

また、ヨーク１０、１１に設けたアンカー部材２０についても、多様な変形が可能である。例えば、図８に示すアンカー部材２３は、アンカー部材２０（例えば、図４のアンカー部材２０ｂ参照）に対し、各々のＸ方向の両端に、Ｚ方向に突出する１対の突出部Ｐ１を設けた構造を有する。このようなアンカー部材２３を用いることにより、バネ部材１４の係合部Ｅ１がＸ方向に動くことを規制することができる。

さらに、図６の構造例のバネ部材１４に対応するアーマチュア１３の構造についても多様な変形が可能である。例えば、図９は、内側部１３ａの両側に突出する外側部１３ｂに切欠部Ｃ（図４参照）を設けない構造のアーマチュア１３に対しアンカー部材２４を取り付けた構造を示している。アンカー部材２４は、外側部１３ａのＹ方向の両側に固定され、中央の凸状に突出した部分の両端にバネ部材１４の１対の係合部Ｅ２（図６参照）が係合する。また、アンカー部材２４には１対の係合部Ｅ２がＸ方向に動くことを規制する４つの突出部Ｐ２が設けられている。なお、アンカー部材２４に代え、同様の機能を有する補強板を設けてもよい。このようにアーマチュア１３にアンカー部材２４又は補強板を設けることにより、バネ部材１４のＬ字形状の部分の高さを高くすることができるので、バネ部材１４が外れ難い構造とすることができる。また、上下に対向する１対のバネ部材１４（例えば、図１０参照）の間の距離を大きくでき、バネ部材１４同士の接触を確実に防止することができる。

次に、本実施形態におけるアーマチュア１３の傾きに対する対策に関し、バネ部材１４等に必要な寸法条件について説明する。アーマチュア１３は磁気回路の磁気力によりＺ方向に変位するが、その際、アーマチュア１３がＸＹ平面に平行に配置されることが求められる。すなわち、アーマチュア１３が中心軸１３ｃ（図１０）に対して若干回転して傾くことになると所望の性能を得られなくなるので、アーマチュア１３の傾きを抑制できるように、バネ部材１４を組み込んだときの寸法条件を定めることが重要である。以下、図１０を参照して、アーマチュア１３の傾き対策として、バネ部材１４とヨーク１０、１１の各々に設けたアンカー部材２０及びアーマチュア１３に関する寸法条件を導くための力学モデルを説明する。

図１０においては、図３と同様の方向から見たアーマチュア１３、ヨーク１０、１１の各々に設けたアンカー部材２０、１対のバネ部材１４ａ、１４ｂを含む範囲における模式的な構造を示している。ここで、図１０の矢印にて示すように、上部のバネ部材１４ａに働く４つの力Ｆa1、Ｆa2、Ｆa3、Ｆa4と、下部のバネ部材１４ｂに働く４つの力Ｆb1、Ｆb2、Ｆb3、Ｆb4によってそれぞれモデル化する。すなわち、力Ｆa1、Ｆa2、Ｆb1、Ｆb2は、アーマチュア１３からバネ部材１４ａ、１４ｂに対して働く力であり、力Ｆa3、Ｆa4、Ｆb3、Ｆb4は、上下のヨーク１０、１１のアンカー部材２０ａ、２０ｂから対向するバネ部材１４ａ、１４ｂに働く力である。また、図１０に示すように、上記の力Ｆa1〜Ｆa4、Ｆb1〜Ｆb4の各矢印の位置（Ｙ座標）は、それぞれの作用点Ｐa1、Ｐa2、Ｐa3、Ｐa4、Ｐb1、Ｐb2、Ｐb3、Ｐb4に相当する。

ここで、各々の力Ｆa1〜Ｆa4、Ｆb1〜Ｆb4は、実際にはある面積の範囲に分布する力であるが、それらの合力としてモデル化したものである。また、合力の作用点はアーマチュアの中心軸１３ｃの回りの力のモーメントが同じになるように求められた点とする。これにより合力が作用する一点を作用点として定めることができる。例えば、上部のヨーク１０のアンカー部材２０ａからバネ部材１４ａに働く力Ｆa3、Ｆa4を例にとると、バネ部材１４ａのＺ方向の撓みを考慮すると、アンカー部材２０ａの凸部と係合部Ｅ１の凹部の外縁部に力が集中するので、外縁部の位置を作用点Ｐa3、Ｐa4として扱うことが適切である。下部のヨーク１１のアンカー部材２０ｂとバネ部材１４ｂについても同様である（作用点Ｐb3、Ｐb4）。また例えば、アーマチュア１３からバネ部材１４ａ、１４ｂに働く力Ｆa1、Ｆa2、Ｆb1、Ｆb2については、同様にバネ部材１４ａ、１４ｂのＺ方向の撓みを考慮すると、切欠部Ｃと係合部Ｅ２が係合する範囲の外縁部に力が集中するので、外縁部の位置を作用点Ｐa1、Ｐa2、Ｐb1、Ｐb2として扱うことが適切である。

図１０に示すように、アーマチュア１３からバネ部材１４ａに働く力Ｆa1、Ｆa2の作用点Ｐa1、Ｐa2は互いに距離２ａだけ離れていると仮定する。また、ヨーク１０のアンカー部材２０ａからバネ部材１４ａに働く力Ｆa3、Ｆa4の作用点Ｐa3、Ｐa4は互いに距離２ｂだけ離れていると仮定する。同様に、下部のバネ部材１４ｂに関しても対称性から前述の距離２ａ、２ｂを仮定する。なお、以下に示す数式群は、基本的に上部のバネ部材１４ａに関してのものであるが、対称性から他のバネ部材１４ｂ、１４ｃ、１４ｄに関しても同様に適用することができる。

まず、図１０の機械系が釣り合いの状態にあるとする。上部のバネ部材１４ａに対する力の釣り合い及びアーマチュア１３の中心軸１３ｃの回りの力のモーメントの釣り合いから、次の（１）式及び（２）式が成り立つ。
Ｆa1＋Ｆa2−Ｆa3−Ｆa4＝０ （１）
Ｆa1（ａ＋ｙ1）−Ｆa2（ａ−ｙ1）−Ｆa3（ｂ＋ｙ2）＋Ｆa4（ｂ−ｙ2）＝０ （２）
同様に、下部のバネ部材１４ｂに関し、（１）、（２）式と同様の観点から、次の（３）、（４）式が成り立つ。
−Ｆb1−Ｆb2＋Ｆb3＋Ｆb4＝０ （３）
−Ｆb1（ａ＋ｙ3）＋Ｆb2（ａ−ｙ3）＋Ｆb3（ｂ＋ｙ4）−Ｆb4（ｂ−ｙ4）＝０
（４）
ただし、ｙ1：中心軸１３ｃからの作用点Ｐa1、Ｐa2の中心位置のＹ方向のずれ
ｙ2：中心軸１３ｃからの作用点Ｐa3、Ｐa4の中心位置のＹ方向のずれ
ｙ3：中心軸１３ｃからの作用点Ｐb1、Ｐb2の中心位置のＹ方向のずれ
ｙ4：中心軸１３ｃからの作用点Ｐb3、Ｐb4の中心位置のＹ方向のずれ
なお、図１０では、ｙ1〜ｙ4がいずれも０の場合を示している。ｙ1〜ｙ4は製造上の精度から実際には極めて小さくなるが、アーマチュア１３の傾きに対するこの影響を考慮するために導入した量である。

さらに、アーマチュア１３に対する力の釣り合い及び中心軸１３ｃの回りの力のモーメントの釣り合いから、次の（５）式及び（６）式が成り立つ。
−Ｆa1−Ｆa2＋Ｆb1＋Ｆb2＝０ （５）
−Ｆa1（ａ＋ｙ1）＋Ｆa2（ａ−ｙ1）＋Ｆb1（ａ＋ｙ3）−Ｆb2（ａ−ｙ3）＝０ （６）

（１）〜（６）式のうち、アーマチュア１３からの反作用力Ｆa1、Ｆa2、Ｆb1、Ｆb2を未知数とし、それぞれを求めると、次の（７）、（８）、（９）、（１０）式が導かれる。
Ｆa1＝Ｆa3｛１−（ｙ1−ｙ2）／ａ｝
＋（Ｆa4−Ｆa3）｛１−ｂ／ａ−（ｙ1−ｙ2）／ａ｝／２ （７）
Ｆa2＝Ｆa3｛１＋（ｙ1−ｙ2）／ａ｝
＋（Ｆa4−Ｆa3）｛１＋ｂ／ａ＋（ｙ1−ｙ2）／ａ｝／２ （８）
Ｆb1＝Ｆb3｛１−（ｙ3−ｙ4）／ａ｝
＋（Ｆb4−Ｆb3）｛１−ｂ／ａ−（ｙ3−ｙ4）／ａ｝／２ （９）
Ｆb2＝Ｆb3｛１＋（ｙ3−ｙ4）／ａ｝
＋（Ｆb4−Ｆb3）｛１＋ｂ／ａ＋（ｙ3−ｙ4）／ａ｝／２ （１０）
上記の（７）〜（１０）式を（５）、（６）式に代入することで、次の（１１）、（１２）式が導かれる。
Ｆa3＋Ｆa4＝Ｆb3＋Ｆb4 （１１）
（Ｆa4−Ｆa3＋Ｆb3−Ｆb4）ｂ−（Ｆa3＋Ｆa4）ｙ2＋（Ｆb3＋Ｆb4）ｙ4＝０ （１２）
図１０で表される機械系が釣り合いの状態にあるときは、力Ｆa3、Ｆa4、Ｆb3、Ｆb4の間には、（１１）式及び（１２）式が成り立つことになる。

ここで、（１２）式の左辺をＮと置くと、（１１）式から次の（１３）式が導かれる。
Ｎ＝（Ｆa4−Ｆa3＋Ｆb3−Ｆb4）ｂ−（Ｆa3＋Ｆa4）（ｙ2−ｙ4） （１３）
このＮは、アーマチュア１３に働く中心軸１３ｃの回りの力のモーメントを表す。（１３）式において、第１項は左右の力に差がある場合に働く力のモーメントであり、第２項は左右の力の作用点が中心軸１３ｃに対してＹ方向で偏りがある場合に働く力のモーメントである。第２項の偏りはｙ2、ｙ4で表され、通常はｙ2、ｙ4がゼロになるように設計を行う。しかし、前述したように実際には組立に伴い若干のｙ2、ｙ4が生じるので、第２項をできるだけ小さく抑えるように組立てを行うことが重要である。一方、第１項のｂは設計条件に依存するので、（１３）式のモーメントＮを小さくしてアーマチュア１３の傾きを抑制するには、できるだけ図１０の距離２ｂを小さくする寸法条件で設計を行えばよいことがわかる。

次に、釣り合いの状態にあるアーマチュア１３が傾いた場合を想定する。図１１は、このときの状態を模式的に示しており、中心軸１３ｃを軸として、その回りにアーマチュア１３が反時計回りに仮想的に微小な角度θだけ回転したとする。図１１においては、上下のバネ部材１４ａ、１４ｂがアーマチュア１３を押す力は−Ｆa1、−Ｆa2、＋Ｆb1、＋Ｆb2であり、その当初の作用点Ｐa1、Ｐa2、Ｐb1、Ｐb2が、角度θの微小回転後に作用点Ｐa1′、Ｐa2′、Ｐb1′、Ｐb2′に変化したとする。例えば、図１１の右側に示すように、ＹＺ平面内で、点Ｐ（ｙ、ｚ）が点Ｐ′（ｙ′、ｚ′）に変化すると、ｙ′＝ｙ−ｚθ、ｚ′＝ｚ＋ｙθとなるので、各作用点の変化はＹＺ座標を含めて次の（１４）、（１５）、（１６）、（１７）式で表される。
Ｐa1（ａ＋ｙ1，ｃ1）→Ｐa1’（ａ＋ｙ1−ｃ1θ，ｃ1＋（ａ＋ｙ1）θ） （１４）
Ｐa2（−（ａ−ｙ1），ｃ1）→Ｐa2’（−（ａ−ｙ1）−ｃ1θ，ｃ1−（ａ−ｙ1）θ）
（１５）
Ｐb1（ａ＋ｙ3，−ｃ3）→Ｐb1’（ａ＋ｙ3＋ｃ3θ，−ｃ3＋（ａ＋ｙ3）θ） （１６）
Ｐb2（−（ａ−ｙ3），−ｃ3）→Ｐb2’（−（ａ−ｙ3）＋ｃ3θ，−ｃ3−（ａ−ｙ3）θ） （１７）
ただし、ｃ1：作用点Ｐa1、Ｐa2のｚ座標
ｃ3：作用点Ｐb1、Ｐb2のｚ座標

上記の（１４）〜（１７）式の結果から、釣り合いの状態にあるアーマチュア１３が微小回転する場合、回転を元に戻そうとする力のモーメントがアーマチュア１３に働くことが示される。これは、角度θの微小回転に対し、作用点Ｐa1、Ｐb2に働く回転を元に戻す方向への力は増加するのに対し、作用点Ｐa2、Ｐb1に働く逆方向への力は減少することから、明らかである。以下、この点について、より詳細に検討する。

上部のバネ部材１４ａに関し、右側のたわみ量をｕa1及び左側のたわみ量をｕa2とし、下部のバネ部材１４ｂに関し、右側のたわみ量をｕb1及び左側のたわみ量をｕb2とすると、角度θの微小回転による変化は、次の（１８）、（１９）、（２０）、（２１）式で表される。
ｕa1→ｕa1’＝ｕa1＋（ａ＋ｙ1）θ≒ｕa1＋ａθ （１８）
ｕa2→ｕa2’＝ｕa2−（ａ−ｙ1）θ≒ｕa2−ａθ （１９）
ｕb1→ｕb1’＝ｕb1−（ａ＋ｙ3）θ≒ｕb1−ａθ （２０）
ｕb2→ｕb2’＝ｕb2＋（ａ−ｙ3）θ≒ｕb2＋ａθ （２１）

一方、バネ部材１４ａ、１４ｂに働く力Ｆa1、Ｆa2、Ｆb1、Ｆb2の作用点Ｐa1、Ｐa2、Ｐb1、Ｐb2から見たバネ部材１４ａ、１４ｂのスティフネスをそれぞれｓa1、ｓa2、ｓb1、ｓb2としたとき、次の（２２）、（２３）、（２４）、（２５）式で表すことができる。
Ｆa1＝ｓa1・ｕa1 （２２）
Ｆa2＝ｓa2・ｕa2 （２３）
Ｆb1＝ｓb1・ｕb1 （２４）
Ｆb2＝ｓb2・ｕb2 （２５）
よって、角度θの微小回転により、（２２）〜（２５）式及び（１８）〜（２１）式から、それぞれ次の（２６）、（２７）、（２８）、（２９）式を導くことができる。
Ｆa1’＝ｓa1・ｕa1’≒Ｆa1＋ｓa1・ａθ （２６）
Ｆa2’＝ｓa2・ｕa2’≒Ｆa2−ｓa2・ａθ （２７）
Ｆb1’＝ｓb1・ｕb1’≒Ｆb1−ｓb1・ａθ （２８）
Ｆb2’＝ｓb2・ｕb2’≒Ｆb2＋ｓb2・ａθ （２９）

すなわち、角度θの微小回転により、アーマチュア１３に対してそれぞれ力−Ｆa1’、−Ｆa2’、＋Ｆb1’、＋Ｆb2’が働くから、この回転を元に戻そうとする力のモーメントＮ（θ）は、次の（３０）式で表すことができる。
Ｎ（θ）＝Ｆa1’（ａ＋ｙ1’）−Ｆa2’（ａ−ｙ1’）
−Ｆb1’（ａ＋ｙ3’）＋Ｆb2’（ａ−ｙ3’） （３０）
ここで、ｙ1′、ｙ3′は、（１４）〜（１７）式から、次の（３１）、（３２）式で与えられる。
ｙ1’＝ｙ1−ｃ1θ （３１）
ｙ3’＝ｙ3＋ｃ3θ （３２）
（３０）式に（２６）〜（２９）式及び（３１）、（３２）式を代入し、２次以上の微小量を無視して整理すると、次の（３３）式が導かれる。
Ｎ（θ）≒Ｆa1（ａ＋ｙ1）−Ｆa2（ａ−ｙ1）−Ｆb1（ａ＋ｙ3）＋Ｆb2（ａ−ｙ3）
−（Ｆa1＋Ｆa2）ｃ1θ−（Ｆb1＋Ｆb2）ｃ3θ＋（ｓa1＋ｓa2＋ｓb1＋ｓb2）a^２θ
（３３）

（３３）式のうち最初の４項は、（６）式により０となる。また、（３３）式の第５項と第６項に（５）式を適用すると、次の（３４）式が導かれる。
Ｎ（θ）≒（ｓa1＋ｓa2＋ｓb1＋ｓb2）ａ^２θ−（Ｆa1＋Ｆa2）（ｃ1＋ｃ3）θ （３４）
ただし、次の（３５）式の関係が成り立つ。
ｃ1≒ｃ3≒ｃ （３５）
また、次の（３６）、（３７）式のように置くことができる。
ｓa1≒ｓa2≒ｓb1≒ｓb2≒ｓ （３６）
ｕa1≒ｕa2≒ｕb1≒ｕb2≒ｕ （３７）
よって、（３）式は、次の（３８）式で表すことができる。
Ｎ（θ）≒４ｓ（ａ^２−ｕｃ）θ （３８）

（３８）式においては、通常はａ＞ｃ、ａ≫ｕとなるため、次の（３９）式が成り立つ。
ａ^２−ｕｃ≒ａ^２＞０ （３９）
すなわち、角度θの微小回転に対して回転を元に戻す方向に力のモーメントＮ（θ）が働くことになる。よって、（３８）式のモーメントＮ（θ）を大きくしてアーマチュア１３が傾き難くするには、できるだけ図１０の距離２ａを大きくする寸法条件で設計を行えばよいことがわかる。

以上説明したように、本実施形態の電気機械変換器においてアーマチュア１３の傾きの対策としては、距離２ｂを小さくし、かつ距離２ａを大きくする設計を行うことが求められる。図１０において、少なくとも２ａ＞２ｂの寸法条件を満たす必要があるが、発明者らの検討の結果、電気機械変換器に必要な性能を得るには、距離２ａを距離２ｂに比べて２倍以上に設定することが有効であることがわかった。本実施形態では、このような寸法関係に設定することにより、アーマチュア１３に印可される合力とそのモーメントが均衡して中心軸１３ａの回りの回転を抑制し、アーマチュア１３が傾きにくくなるため、常に所望の性能を確保することができる。また、アーマチュア１３のサイズを大きくする場合は、アーマチュア１３の傾きによる性能劣化が大きな問題となるが、上記の寸法関係を設定することで、アーマチュア１３のサイズに関わらず性能向上が可能となる。

次に図１０に示す構造を異なる観点から説明するために、図１２においては、図１０と同様のバネ部材１４ａが、アールを有する断面形状のアンカー部材２０ａに係合している部分の模式的な構造例を示している。図１２の構造例では、アンカー部材２０ａを介してＺ方向の下方に向かう力がバネ部材１４ａに作用している。この場合、アンカー部材２０ａの断面形状がアールを有するため、係合部Ｅ１のＹ方向の幅Ｗ１に対し、アンカー部材１１の中央寄りの範囲で力が作用する範囲のＹ方向の幅Ｗ２は、Ｗ１＞Ｗ２の関係がある。このような構造例を想定すると、前述の距離２ｂに相当する幅Ｗ２（第１の距離に対応）に対し、前述の距離２ａ（第２の距離）が２倍以上に設定されていれば、本発明の効果を実現することができる。

次に、電気信号を音響に変換して外部出力する電気音響変換器の一例として、本発明を適用したスピーカユニットの実施形態について説明する。図１３は、本実施形態のスピーカユニットの全体構造を示す正面図であり、図１４は、図１３のスピーカユニットの分解斜視図である。図１３及び図１４に示すスピーカユニットは、本発明に係る電気機械変換器を駆動ユニット３０として搭載している。駆動ユニット３０には、ヨーク１０に結合部材３１が溶接等により固定されるとともに、アーマチュア１３の両端に連結リング３２が接着等により固定される。

また、フレーム３３は、取付板３４に溶接等により固定される。振動板３５の外周部は、押えリング３６で押さえつつ取付板３４と接着等により固定される。駆動ユニット３０に固定された結合部材３１はフレーム３３に溶接等により固定される。最後に、連結リング３２と振動板３５とは、接着等により固定される。また、フレーム３３に固定された電気端子３７には、駆動ユニット３０の電気端子とリード線（不図示）を介して接続され、これによりスピーカユニットの全体が構成される。

以上のように、本実施形態に基づいて、本発明に係る電気機械変換器及び電気音響変換器について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことができる。例えば、本発明に係る電気機械変換器は、使用者の耳甲介腔に装用する補聴器に適用することができる。これにより、電気機械変換器の振動自体とそのハウジングの振動によって発生した音の両方を伝達手段として機能させ、使用者の耳に音を伝達することができる。

１０、１１…ヨーク
１２…コイル
１３…アーマチュア
１４…バネ部材
１５…磁石
２０、２３、２４…アンカー部材
２２…補強板
３０…駆動ユニット
３１…結合部材
３２…連結リング
３３…フレーム
３４…取付板
３５…振動板
３６…押えリング
３７…電気端子

Claims (8)

1. 電気信号を機械振動に変換する電気機械変換器において、
   少なくとも１対の磁石と、前記磁石による磁束を導くヨークと、前記電気信号が供給されるコイルとを一体的に配置した構造部と、
   第１の方向に延びる中心軸に沿って前記構造部の内部空間を貫く内側部と当該内側部の両側に突出した外側部とが形成され、前記内側部のうち互いに逆向きの前記磁束が導かれる２つの領域を介して前記構造部と磁気回路を構成し、前記磁気回路の磁気力により前記第１の方向と直交する第２の方向に変位するアーマチュアと、
   両側の前記外側部の各々を前記第２の方向に挟んで対称配置され、前記磁気回路の磁気力による前記アーマチュアの変位に応じた復元力を前記外側部にそれぞれ付与する弾性部材と、
   を備え、
   各々の前記弾性部材には、前記構造部に係合する第１の係合部と、前記外側部に係合する第２の係合部とが形成され、
   前記第１の方向及び前記第２の方向に垂直な方向を第３の方向としたとき、
   前記第１の係合部を介して各々の前記弾性部材と前記構造部との間において前記第２の方向の力が作用する幅は前記第３の方向で第１の距離を有し、
   前記第２の係合部を介して各々の前記弾性部材と前記外側部との間において、前記第２の方向の力が作用する幅は前記第３の方向で第２の距離を有し、
   前記第１の距離に比べ、前記第２の距離が２倍以上である、
   ことを特徴とする電気機械変換器。
2. 電気信号を機械振動に変換する電気機械変換器において、
   少なくとも１対の磁石と、前記磁石による磁束を導くヨークと、前記電気信号が供給されるコイルとを一体的に配置した構造部と、
   第１の方向に延びる中心軸に沿って前記構造部の内部空間を貫く内側部と当該内側部の両側に突出した外側部とが形成され、前記内側部のうち互いに逆向きの前記磁束が導かれる２つの領域を介して前記構造部と磁気回路を構成し、前記磁気回路の磁気力により前記第１の方向と直交する第２の方向に変位するアーマチュアと、
   両側の前記外側部の各々を前記第２の方向に挟んで対称配置され、前記磁気回路の磁気力による前記アーマチュアの変位に応じた復元力を前記外側部にそれぞれ付与する弾性部材と、
   を備え、
   各々の前記弾性部材には、前記構造部に係合する第１の係合部と、前記外側部に係合する第２の係合部とが形成され、
   前記弾性部材、前記構造部及び前記外側部を含む領域を、前記第１及び第２の方向に平行かつ前記中心軸を含む平面により第１の領域と第２の領域とに区分し、前記第１の方向及び前記第２の方向に垂直な方向を第３の方向としたとき、
   前記第１の係合部を介して各々の前記弾性部材と前記構造部との間において前記第２の方向に作用する力を、前記第１の領域の第１の作用点に作用する第１の合力と、前記第２の領域の第２の作用点に作用する第２の合力とで表し、
   かつ、前記第２の係合部を介して各々の前記弾性部材と前記外側部との間において前記第２の方向に作用する力を、前記第１の領域の第３の作用点に作用する第３の合力と、前記第２の領域の第４の作用点に作用する第４の合力とで表すと、
   前記第３の方向において、前記第１の作用点と前記第２の作用点との間の第１の距離に比べ、前記第３の作用点と前記第４の作用点との間の第２の距離が２倍以上に設定される、
   ことを特徴とする電気機械変換器。
3. 前記ヨークには、前記第１の方向の両側の領域に、前記弾性部材がそれぞれ前記第１の係合部を介して係合するアンカー部材が取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気機械変換器。
4. 各々の前記アンカー部材は、前記第１の距離と等しい幅を有する略矩形の断面形状に形成されることを特徴とする請求項３に記載の電気機械変換器。
5. 前記アーマチュアの両側の前記外側部には、前記第２の係合部を介して前記弾性部材が係合する切欠部が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電気機械変換器。
6. 各々の前記弾性部材には、前記アンカー部材に係合する１つの前記第１の係合部と、前記外側部の２つの前記切欠部に係合する前記第２の係合部とがそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項５に記載の電気機械変換器。
7. 前記弾性部材は、板状部材を折り曲げ加工して形成されたバネ部材であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電気機械変換器。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載された電気機械変換器と、
   前記電気機械変換器が発生した振動に応じて音圧を発生する振動板と、
   を備えることを特徴とする電気音響変換器。
   

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