JP2024014772A - ラウドスピーカ - Google Patents

Abstract

【課題】ラウドスピーカドライバのモーションフィードバックに対する速度検出装置及び方法を提供する。【解決手段】ラウドスピーカドライバは、ボイスコイルフォーマ１１０に同軸に巻かれたボイスコイル１１４と検出巻線１１８とを有し、ボイスコイルへの電気信号の印加により、往復軸１１２に沿って往復運動するように駆動される。ボイスコイルと結合するように配置される第１の磁場と、検出巻線と結合するように配置される第２の磁場とを有し、第２の磁場中で軸方向に往復運動する際に第２の検出巻線に誘起される電圧を検出する。第２の磁場は、往復軸に対して円周方向である配向周期性を有し、配向周期性は、往復軸に沿ってボイスコイルフォーマの長さの一部に亘って延びる。【選択図】図４

Description

本発明は、ラウドスピーカの分野に関し、特に、音響波が放射される音響振動板を駆動するために往復運動するボイスコイル及びボイスコイルフォーマの瞬間速度を検出することに関する。本発明は、ラウドスピーカの設計方法、ラウドスピーカ及びそのボイスコイルフォーマに関する。

電気音声信号を対応する音に変換する従来の音響ラウドスピーカには多くの種類がある。

ラウドスピーカは通常、１つ以上のドライバ、筐体、及び電気的接続と、多くの場合は、クロスオーバネットワーク等の回路も含む。本発明が関係するドライバは、ボイスコイル、すなわち、剛性で通常は円筒形のフォーマの周囲に螺旋状に巻かれた導線のコイルである。これらのドライバは、磁場内に位置し、電気音声信号がボイスコイルを通過すると、往復運動して、音波を放射するように音響振動板を駆動する。このような配置は１世紀にわたって使用されており、例えばＵＳ１７０７５７０の主題となっている。

理想的には、ラウドスピーカの場合、ボイスコイルのモーションは、ラウドスピーカのドライバ端子に印加される電気信号に線形的に関連しており、そのため、１つ以上の正弦波を構成する信号がラウドスピーカに印加された場合、ボイスコイルの結果として生じるモーションは、同一の正弦波のセットのみから構成される。しかしながら、実際のデバイスでは、これは当てはまらなく、伝達関数には重大な非線形性がある。その結果、１つ以上の正弦波がラウドスピーカのドライバ端子に適用されると、結果として生じるボイスコイルのモーションは、印加された正弦波の倍数及び和差周波数での高調波も含む。この特性は、高品質の音声再生には望ましくない。

非線形特性は、ラウドスピーカの動作中の伝達関数パラメータの変調、特に、ボイスコイル電流、ボイスコイル温度、ボイスコイル及び振動板変位の関数としての変調によるものである。非線形性を引き起こす主なメカニズムは、典型的には、次の通りである。

ボイスコイルの位置の関数として変化するサスペンション及び周囲剛性、ボイスコイルの位置の関数として変化するモータシステム強度（ＢＬ）、ボイスコイルの温度の関数として変化するボイスコイル線の抵抗、及びモータシステムの磁気回路の状態の関数としてのボイスコイル位置の関数としてのボイスコイルインダクタンスの変化、それ自体は現在及び過去のボイスコイル位置とボイスコイル電流の関数である。

ラウドスピーカ設計で採用されるアプローチの１つは、これらのメカニズムを最小化しようとすることであるが、このアプローチには通常、大幅な追加コスト及び複雑さが加わる。ラウドスピーカドライバの非線形性を低減するもう１つのアプローチは、ボイスコイルのモーションを検出し、この検出された信号を（適切な増幅器及び制御電子機器を使用して）負のフィードバックループで使用することである。この第２のアプローチは、一般的に「モーションフィードバック」と呼ばれ、よく周知であるが、主に配置の複雑さ、及び利用可能なモーションセンサのコスト及び性能のために、市販のラウドスピーカでは一般的に使用されていない。ＵＳ３９４１９３２は、ドライバダストキャップの下に配置される圧電加速度計を使用してボイスコイルの加速度を検出するモーションフィードバックの一例である。もう１つの周知のモーションフィードバックの例は、図１に示すように、ボイスコイルと同軸に巻かれた、追加の検出巻き線を磁石モータギャップに配置する。

断面側面図として図１に概略示する従来の速度検出モーションフィードバック配置では、ラウドスピーカはフェライトリング磁石２、スチールヨーク４及びスチールフロントプレート６を有し、これらが組み合わされて磁気ギャップ８を形成し、その内部でボイスコイルフォーマ１０が軸１２に沿って往復運動して振動板（図示せず）を駆動する。ボイスコイル１４は、従来のやり方でボイスコイルフォーマ１０の周囲に巻かれ、ボイスコイルフォーマ１０の往復運動に対応するために十分な距離だけ軸１２に沿って延びており、ボイスコイルフォーマは、ボイスコイル１４を電気信号で通電することによって駆動される。

ボイスコイル１４に印加された電圧は、磁気ギャップ８内の磁場と相互作用する磁場を生成して、電磁誘導の周知の原理に従って軸１２に沿って移動するようにボイスコイルフォーマ１０を駆動する。細線の検出コイル１６は、ボイスコイル１４と同軸に巻かれる。

ボイスコイルフォーマ１０が、検出コイル１６を伴って磁気ギャップ８内を往復運動すると、ギャップ８内の磁場によって検出コイル１６に電圧が誘起され、この電圧が測定され、ボイスコイルフォーマ１０の瞬間速度を決定するために使用され得る。

検出巻線はボイスコイルと共に移動し、理論的には、次の式に従って、検出巻線が磁石モータギャップ内の磁場を通過するときに、誘導されたモーションＥＭＦ、ε_{ｍｏｔｉｏｎ}によるボイスコイルの移動速度に比例する出力電圧を生成する。

ここで、（ＢＬ）ｓｃは感度係数であり（これは検出ボイスコイル巻線を横切る平均磁束密度（Ｂ）に速度検出巻線の長さ（Ｌ）を乗じた値である）、

はコイルの速度である。

二次巻線を用いたモーションフィードバックアプローチは、以下のように、加速度計を用いたアプローチよりもいくつかの利点がある。

検出された速度は、非常に高い周波数まで略正確に軸方向ボイスコイルモーションとなり、加速度計等の他のセンサで問題となることが多い寄生的自己共鳴又はセンサ取り付け台からの共鳴を含み得ない。

速度検出巻線は低インピーダンス出力を有し、ドライバの可動部での近位電気増幅を必要としない。

結果的に速度検出巻線の１／２が後方に移動し、残りの半分が前方に移動するため、可動ドライバ部品のロッキングモーション（すなわち、往復軸に平行でないモーション）は検出されない傾向がある（これは、少量のロッキングは多くのドライバにおいて一般的であり、性能にほとんど影響しないための利点である）。

速度検出巻線は大きな電流を流さないため、非常な細線を使用することができ、これは、移動アセンブリにほとんど空間を占有せず、僅かな質量のみを追加することを意味する。

図１に示す従来の速度検出巻線アプローチには、性能を著しく阻害し、このアプローチの使用を制限する２つの大きな問題がある。第１に、検出電圧Ｖｓがボイスコイル速度に線形的に関連するためには、式１．１の感度係数（ＢＬ）ｓｃが一定であることが必須である。図１は、磁石モータギャップの長さＡが速度検出巻線の長さＤよりも短くなるように、オーバハングした速度検出巻線配置で描かれている。これは、ドライバの可動域（図１に示すように、ドライバが「静止」位置から離れる動き）が距離Ｃよりも小さいが、検出巻線が受ける平均磁束密度は略一定であることを意味する。可動域が距離Ｃよりも大きい場合、平均磁束密度が変化するので（巻線の一部のみがモータギャップ内にあるため）、速度検出巻線の感度は劇的に低下する。非線形性のこの原因に対処するために、速度検出巻線の巻線高さをボイスコイルの巻線高さを超えるように増加させることができるが、これはフォーマの長さを増加させる必要があり、ドライバの重量及びラウドスピーカのサイズを増加させ、動作中の衝突を避けるためにフォーマとスチールヨークとの間のクリアランスを増加させる必要があるため、有用ではない。

第２に、追加の相互ｅｍｆが、ボイスコイルに流れる電流との変圧器のような結合のために、速度検出巻線の端子に存在する。速度検出巻線電圧のより正確な記述は、次の通りである。

ここで、Ｍはボイス巻線と速度検出巻線との間の相互インダクタンスであり、ｉは音声コイルに流れる電流である。この相互インダクタンス効果はよく知られており、有効なフィードバック帯域幅が著しく制限されるほど、一般的なドライバにおける検出された信号を汚染する。図２は、ボイスコイルの上に直接巻かれた速度検出巻線を持つ一般的な低インダクタンスラウドスピーカの速度検出巻線電圧及び構成ＥＭＦのシミュレーションを示しており、高周波数で相互インダクタンスがどのように検出電圧を支配するかを明確に示している。モーションＥＭＦ及び相互ＥＭＦが同じ値を持つ周波数では、検出信号の大きな下落が存在する。

相互インダクタンスの値は、次式の通り、各コイルの自己インダクタンス及び２つのコイル間の磁気結合に依存する。

ここで、Ｌ_ｅはボイスコイルの自己インダクタンスであり、Ｌ_ｅｓｃは速度検出巻線の自己インダクタンスであり、ｋは一方のコイルから他方に結合される磁束の割合を表す０から１の間の値を有する結合係数である。相互ｅｍｆはボイス及び速度検出巻線のターン数の二乗に比例し、ＢＬ及び（ＢＬ）ｓｃはターン数に比例する。これは、ボイスコイルのターン数が多いドライバでは、相互ｅｍｆが特に高いことを意味する。例えば、図３（高インダクタンス且つボイスコイルと速度検出巻線との結合が強いラウドスピーカの速度検出巻線電圧の測定値及び（レーザによって測定された）実際の速度を示す）は、場合によっては速度信号が相互ｅｍｆに完全に飲み込まれて音質が悪くなり、この配置は可聴帯域内の速度検出には使用できないことを示している。高インダクタンスのボイスコイルを含む全てのラウドスピーカに適しており、従来のシステムの課題に対処又は改善する速度検出モーションフィードバックアプローチが必要である。

本発明は、ボイスコイルを通電して軸方向に移動させるために主に放射状の磁場を提供すること、及びボイスコイル軸の少なくとも一部に沿って、主に放射状の磁場よりも高次の円周周期性を有する補助磁場を提供することにより、比較的小型、軽量で製造が容易であり、従来の速度検出動作フィードバックデバイスの問題に同程度には悩まされない速度検出装置を提供することができることの具現化に基づいている。

したがって、本発明は、磁場中で往復運動するラウドスピーカドライバの瞬間速度を測定する方法を提供し、ここで、前記ドライバは、フォーマに同軸に巻かれたボイスコイルと、前記フォーマに同軸に巻かれた検出巻線とを有し、前記ドライバは、前記ボイスコイルへの電気信号の印加により、往復軸に沿って往復運動するように駆動され、前記方法は、主として前記ボイスコイルと結合するように配置され且つ適合される第１の磁場を提供すること、主として前記検出巻線と結合するように配置され且つ適合される第２の磁場を提供すること、及び前記第２の磁場中で軸方向に往復運動する際に第２の検出巻線に誘起される電圧を検出することを含み、前記第２の磁場は、前記往復軸に対して円周方向である配向周期性を有し、前記配向周期性は、前記往復軸に沿って前記フォーマの長さの少なくとも一部にわたって延びる。

このようにして、磁気回路は、２つの磁束分布を提供し、１つがボイスコイル及び検出巻線の各々とほとんど独立して相互作用する。第１の磁束分布は、ボイスコイルと最大結合するように最適化された通常のモータシステムの磁気ギャップに相当し、実質的に放射状の磁場を有する。第２の磁束分布は、検出巻線と最大結合するように最適化される。検出巻線は、集中磁束の第１の領域に最小結合されるように設計され、第２の磁気ギャップは、ボイスコイルが集中磁束の第２の領域に最小結合されるように設計され且つボイスコイルに対して配置される。２つの磁場は、いくつかの異なるやり方で具現化することができ（そのいくつかは後述する）、ラウドスピーカ軸に沿った１つ以上の位置でラウドスピーカ軸に垂直な平面内で変化する全体的な磁場が存在することを可能にし、それは次に、ラウドスピーカが使用されているときにボイスコイルフォーマの瞬間速度を検出するために異なる検出巻線配置を使用することを可能にし、従来の速度検出モーションフィードバックラウドスピーカよりも改善される。本発明の原理に従ったラウドスピーカは、検出電圧／ボイスコイル速度関係における減少した非線形性及び極めて低い相互インダクタンスを示す。

第１及び第２の磁場は、軸に沿った異なる位置に配置されてもよい。追加的に又は代替的に、第１及び第２の磁場は重畳されてもよい。往復軸に対して２つの磁場をオフセットすることは、検出巻線の線形性範囲を増加させるのに役立つ。磁場を重畳することは、よりコンパクトな設計を可能にする。

このような配置は、電気信号がボイスコイルを駆動するために印加されたときに、検出巻線がボイスコイルによって生成される磁気駆動場と相互作用しないように（例えば、検出巻線が往復軸に対して実質的に全ての点で垂直であることを保証することによって）検出巻線を構成することを可能にする。結果として、ボイスコイルと速度検出巻線との結合係数は０に近くなり、相互インダクタンスも０に近くなる。その結果、相互ｅｍｆも０に近くなり、速度検出巻線電圧は、非常に高いインダクタンスのボイスコイルを有するドライバであっても、モーションｅｍｆ信号によって支配される。検出巻線は、好ましくは、第２の磁場と一致する円周周期性を有するように構成される。

第１の磁場は、主に往復軸に対して放射状であってもよく、第２の磁場は、小さな円周方向変動成分を有してもよく、それにより、２つの磁場が重畳されるときに、基準放射状磁束が存在し、円周方向に移動するときに、基準放射状磁束より僅かに高い放射状磁束の領域と、基準放射状磁束より僅かに低い放射状磁束の領域とが存在する。２つの磁場が重畳されず、代わりに軸方向に分離される場合、第１の磁束は、第１の軸方向距離にわたって磁気ギャップの円周で実質的に一定であり、第２の磁場は、円周方向及び第２の軸方向距離にわたって、僅かに正の放射状磁束の領域と僅かに負の放射状磁束の領域とを有する。

別の態様において、本発明は、ラウドスピーカを提供し、前記ラウドスピーカは、フォーマに同軸に巻かれたボイスコイルであって、これらは一緒に、電気信号が前記ボイスコイルに印加されたときに、前記フォーマに接続された音響振動板を往復軸に沿って往復運動させるように、磁石配置におけるギャップ内で往復軸に沿って往復運動して、音響エネルギーを放射するように適合され、前記ボイスコイルは前記軸及び前記フォーマに沿って第１の距離を延びる、ボイスコイルと、前記フォーマに同軸に配置され、且つ前記往復軸に沿って第２の距離を延びる検出巻線とを備え、前記磁石配置は、２つの磁場を生成するように適合され且つ構成され、第１の磁場が主として前記ボイスコイルを往復運動するように駆動し、且つ前記第１の距離に軸方向に隣接して配置され、第２の磁場が前記第２の距離に軸方向に隣接して配置され、且つ主として前記検出巻線と結合するように適合され、前記検出巻線は、偶数個のループの形態で前記フォーマの周囲に配置され、前記偶数個のループは前記フォーマの周囲に別々に配置されるが、単一の巻線を形成するように電気的に接続され、各ループは前記往復軸に対して実質的に垂直なループ軸の周りに延びる。

フォーマの周囲のループの位置は、検出巻線に感度の円周周期性を提供する。この感度の周期性は、好ましくは、第２の磁場の周期性と一致する。

第１及び第２の磁場並びに第１及び第２の距離は、往復軸の方向に重ならなくてもよく（その代わりに往復軸に沿ってオフセットされる）、又は第１及び第２の磁場並びに第１及び第２距離は、往復軸の方向に重なってもよい。上述したように、磁場をオフセット又は重畳することにはそれぞれ利点がある。

前記第２の検出巻線は、前記フォーマの周りに円周方向に配置される複数の別個のコイルを含む１つ以上のレイヤにおいて前記フォーマの外面上に形成されてもよく、各コイルはループ軸の周りに延びる複数の隣接するターンを含む。フォーマの外側表面は、フォーマの半径方向に最も外側の表面及び／又はその半径方向に最も内側の表面を含んでもよい。円周方向に隣接するコイルは、放射状の磁束の大きさの変化に一致するように、それぞれの軸の周りで交互方向にターンしてもよく、この変化は、第２の磁場における放射状の磁気極性を交互に変えることによって生じ得る。円周方向に不変な一次磁場及びボイスコイル磁場は、個々のループ内で誘導電圧をもたらし得るが、ループの極性が交互になるため、ループによって形成される二次巻線からの正味のＥＭＦは生じない。

２つ以上のコイルは、重畳された隣接レイヤに設けられてもよく、又は、これらは、ターンの大部分が単一レイヤに設けられ、各ターンの小部分が、１つのコイルのターンが別のコイルのターンと交差する第２の隣接レイヤに交差経路を設けるように重畳されてもよい。

前記検出巻線は、２つ以上のプリントレイヤを備えてもよく、１つのレイヤにおけるプリントコイルは、隣接レイヤにおけるプリントコイルと往復軸の周りに円周方向に整列される。好ましくは、各コイルの一部が前記往復軸に対して垂直に整列され、各コイルの前記一部におけるターンが、前記コイルの残りの部分を形成するターンよりも大きい距離だけ前記往復軸に対して互いに離間されてもよい。これにより、感度係数（ＢＬ）ｓｃを、検出巻線位置の非常に広い軸方向範囲にわたって実質的に一定に維持することができる。第１の距離は、好ましくは、第２の距離よりも小さく、これは、検出巻線の感度を往復軸に沿って一定に保つのに役立つ。

磁石配置は、第１及び第２の磁場を発生するための別個の第１及び第２の磁石を含んでもよく、又は、結合された第１及び第２の磁場に相当する磁場を発生するように適合される単一の一体磁石があってもよい。

さらなる態様において、本発明は、ラウドスピーカボイスコイルが同軸に巻かれるフォーマも提供し、ここで、前記フォーマ及び前記ボイスコイルは、前記フォーマに接続される音響振動板が前記往復軸に沿って往復運動して、音響エネルギーを放射するように、磁石配置におけるギャップ内で往復軸に沿って往復運動するように適合され、前記フォーマは、前記フォーマの周りに円周方向に配置される複数の別個の検出コイルを含む１つ以上のプリント回路レイヤにおいて、前記フォーマの外面及び／又は内面に形成される検出巻線を含み、各検出コイルは、複数の隣接するターンを含み、前記検出コイルは、前記フォーマの周囲に別個に配置されているが、単一の巻線を形成するように電気的に接続され、各検出コイルは、前記往復軸に対して実質的に垂直なループ軸の周りに延びる。

このような配置は、主としてボイスコイルを往復運動するように駆動するための第１の磁場、及び第１の磁場に軸方向に隣接して配置され、主として検出巻線と結合するように適合される第２の磁場の２つの磁場を発生するように適合及び構成される磁石配置によって形成された磁気ギャップ内の速度検出巻線としての動作に理想的である。前記フォーマは、２つ以上のプリントレイヤを備えてもよく、１つのレイヤにおけるプリントコイルは、隣接レイヤにおけるプリントコイルと軸の周りに円周方向に整列される。各コイルの一部が前記往復軸に対して垂直に整列されてもよく、各コイルの前記一部のターンが、前記コイルの残りの部分を形成するターンよりも前記往復軸に対してより大きな距離だけ互いに離間される。

以下、本発明の例示を添付の図を参照して説明する。

従来の速度検出巻線を有するラウドスピーカの概略図である。 図１のラウドスピーカの速度巻線電圧及び構成ＥＭＦ周波数応答のシミュレーションを示すグラフである。 高いインダクタンスを有し、ボイスコイルと速度検出巻線との間の強い結合を有する従来のラウドスピーカの速度検出巻線電圧の測定値及び実際の速度を示すグラフである。 本発明による速度検出ラウドスピーカの一実施形態の概略断面図である。 図４のラウドスピーカの概略平面図である。 図４のラウドスピーカの磁場の概略図であり、図６ａ及び図６ｂは、ラウドスピーカの軸に沿った異なる点での磁場の方向を示す。 図４のラウドスピーカの磁場の概略図であり、図６ｃ及び図６ｄは、ラウドスピーカの軸に沿った１つ以上の点で結合して図６ｅに示す磁場を生成する２つの磁場を示している。 ２つのレイヤを有する検出巻線配置の概略図である。 図７の検出巻線配置の１つのレイヤを示している。 図７の検出巻線の他のレイヤを示している。 従来技術のラウドスピーカにおける検出巻線電圧、及び本発明によるラウドスピーカの検出巻線電圧及び実際の速度を示すグラフである。 速度センサからの負のフィードバックを有する電流増幅器と比較した、従来の電圧増幅器を有するラウドスピーカの基本的なＳＰＬ（音圧レベル）及びＴＨＤ（全高調波歪）ＳＰＬを示すグラフである。 検出巻線配置の別の例の概略図である。 図１３ａ及び図１３ｂは、それぞれボイスコイルフォーマなし及びボイスコイルフォーマありで、図６ｅの磁場を提供するための可能なラウドスピーカ駆動磁石構成の概略図である。 図１４ａ及び図１４ｂは、それぞれボイスコイルフォーマなし及びボイスコイルフォーマありで、図６ｅの磁場を提供するための別の可能なラウドスピーカ駆動磁石構成の概略図である。

図１から図３は先行技術に関するものであり、上記の導入部に記載されている。

図４及び図５は、本発明による速度検出ラウドスピーカの一実施形態を示す。

このラウドスピーカは、フェライトリング磁石１０２、スチールヨーク１０４及びスチールフロントプレート１０６を有し、これらが結合して磁気ギャップ１０８を形成し、その内部でボイスコイルフォーマ１１０が軸１１２に沿って往復運動して振動板（図示せず）を駆動する。ボイスコイル１１４は、従来のやり方でボイスコイルフォーマ１１０の周囲に巻かれ、ボイスコイルフォーマ１１０の往復運動に対応するのに十分な距離だけ軸１１２に沿って延びており、ボイスコイルフォーマは、ボイスコイル１１４を電気信号で通電することによって駆動される（この電気信号は、通常、ラウドスピーカ筐体の外部にある電気及び／又は電子回路によって生成される（ただし、筐体の内部にクロスオーバ回路等が存在し得る）。

当業者は、これらの信号の生成及びラウドスピーカへの送信に関与する原理及び装置を理解しており、これらは本発明とは直接関係がないので、本明細書ではこれ以上説明しない）。

ボイスコイル１１４に印加される電圧は、磁気ギャップ１０８内の磁場と相互作用する磁場を生成し、軸１１２に沿って移動するようにボイスコイルフォーマ１１０を駆動する。検出巻線１１８は、ボイスコイルフォーマ１１０の周囲（ボイスコイルフォーマ１１０の内側及び外側表面のいずれか又は両方）にボイスコイル１１４の下に延在し、ボイスコイル１１４を軸方向に超えて延在するＰＣＢ（プリント回路基板）として形成される（ＰＣＢを形成する導電層及び絶縁層の積層サンドイッチ構造自体がフォーマを構成し得る）。磁気ギャップ１０８の前端部には、Ｔヨーク極の上方において、図示されるように配置される偶数個（４つが図示されている）のネオジム（ＮｄＦｅＢ）磁石１２０が設けられており、磁気極性が交互に変わる。従来の速度検出設計と同様に、ボイスコイルフォーマ１１０が検出巻線１１８を伴って磁気ギャップ１０８内を往復運動すると、ＮｄＦｅＢ磁石１２０によって生成される磁場によって検出巻線１１８に電圧が誘起され、この電圧が測定され、ボイスコイルフォーマ１０の瞬間速度を決定するために使用され得る。図示された実施形態では、４つの円筒ネオジム磁石１２０が磁気四重極配向で添加されており、ボイスコイルフォーマ１１０の速度に比例した速度検出巻線内にモーションＥＭＦを生成する二次磁場を形成する。検出巻線は、フレキシブルＰＣＢ技術を用いてボイスコイルフォーマ１１０にプリントされる。このアプローチは軽量であり、（以下で詳述される）複雑な巻線パターンを可能にする。ボイスコイル及び速度検出トラックの軸方向の広がりは寸法Ｄ１とＤ２で示され、二次磁気ギャップはＡ２で示され、検出巻線のオーバハングはＣ２で示される。検出磁場の位置は一次磁場の上にあり、磁場高さＡ２はより低くすることができるので、オーバハングＣ２は従来の配置よりも実質的に高くすることができる。これにより、（ＢＬ）ｓｃは、従来のラウドスピーカよりもはるかに広い範囲のボイスコイル変位にわたって線形であることが可能になる。

図６ａ及び図６ｂは、リング磁石１０２及びフロントプレート１０６の領域及びネオジム磁石１２０の領域でそれぞれ発生する磁場配向を示す。この特定の実施形態では、２つの領域は軸方向に分離されており、その結果、２つの磁場の間にはほとんど相互作用がなく、一次ギャップ１０８（図６ａ）の第１の磁場は略完全に放射状であり、したがって従来のモータシステムと同じように動作する。二次磁場は円周周期性を有する。

この実施形態では、二次磁気回路によって生成される磁場は、放射状の磁場極性が磁気ギャップの円周で２回変化する略四重極配向を有する。他の多くの二次磁場形状、例えば、略双極子、略八重極等、本質的には放射状の磁場極性が偶数回変化する任意の形状が可能であることに留意されたい。二次磁場は、（ＢＬ）ｓｃが十分な速度感度を提供するのに十分な高さであるように、検出巻線の巻線配置と厳密に一致しなければならない。四重極二次磁場は、検出された信号における（往復運動するときのボイスコイルフォーマの）揺動 を排除する最も低次の二次磁場であるので、好ましい実施形態であるが、これらが揺動を防止するように等比数列的であるか又は円周方向に配置されている場合には、他の実施形態も可能である。

第１及び第２の磁場が軸方向に分離されている必要はなく、他の実施形態では、２つの磁場の間に相互作用があってもよく、２つの領域を重ね合わせ得ることに留意すべきである。これは、巻線ループがボイスコイルに電流が流れる際に発生する磁場と結合しないように配置されていれば、検出巻線の性能に悪影響を及ぼさない。この例が図６ｃから図６ｅに示されており、図６ｃに第１の磁場の放射状磁束を、図６ｄに第２の磁場の放射状磁束を、図６ｅに第１及び第２の磁場が同じ軸方向位置に重畳されたときの放射状磁束を示す。この四重極の例では、磁気ギャップの円周に僅かに高い放射状磁束の２つの領域及び僅かに低い放射状磁束の２つの領域が配置されている。検出巻線は、第２の磁場と一致する円周周期性を有するように構成される。

図７は、２つのＰＣＢレイヤから成る四重極検出巻線のＰＣＢ ガーバーファイルを示す（図は、ボイスコイルフォーマの周りに円周方向に形成された巻線の２Ｄ表現である）。図８及び図９は、個々のレイヤ上のトラック配置をより明確に示している。ここでの配置は、２つのＰＣＢレイヤのそれぞれに４つのループ１２６として形成された８つの直列接続された螺旋を有する検出巻線を含む。図８及び図９のレイヤの４つのループは、レイヤ内の隣接するループ１２６がそれらがターンする方向で交互になるように軸方向及び円周方向に重畳され、重畳されたループのペアが同じ方向にターンする。この巻線配置は、２つの側面で最適化される。第１に、巻線の下部は二次磁場に位置する（図７でＤ２とマークされている）。

この領域の検出巻線の個々のトラックは、トラックの残りの部分よりもさらに離れて配置されており、使用時には、往復軸に対して実質的に垂直に又は垂直な平面に配向されるように意図されており、四重極磁場に一致し、非常に広い範囲のコイル位置にわたって略一定の（ＢＬ）ｓｃを提供するように設計されている。第２に、この巻線配置は、ボイスコイルに電流が流れるときに発生する磁場との結合を最小限に抑えるように最適化されている。この場合、モータシステムは略軸対称であり、ボイスコイルによる磁場も略軸対称である。検出巻線の配置は、（ボイスコイルループの軸の周りに）時計回り及び反時計回りのトラックの同数の整列／重畳ペアを有し、したがってボイスコイルからの磁場との結合はゼロである。螺旋の順序及び方向等の僅かな修正を伴う同じ螺旋配置の多くのバリエーションがあり、また、同じアプローチが任意の偶数順序の検出巻線を開発するために使用され得ることが理解されるであろう。

図１０は、ボイスコイル上に直接巻かれ、同じ磁気ギャップを使用する従来の検出巻線と比較して、本発明を用いた検出巻線性能の改善を示す。モーションＥＭＦ及び相互ＥＭＦが等しい場所を示すノッチの周波数は、１．５オクターブ増加した。

図１１は、最初に従来の低インピーダンス（電圧出力）増幅器で駆動され、次に、速度センサ信号からの負のフィードバックを持つ高インピーダンス（電流出力）増幅器で駆動される上記の速度センサを使用したプロトタイプラウドスピーカの出力とＴＨＤとの比較を示している。この場合、負のフィードバックの量は、低インピーダンス増幅器の応答と略一致するように調整された。両システムの線形出力は類似しているが、速度センサからの負のフィードバックを有するシステムは、実質的に歪みを減少させた。

図１２は、各ループ１２８内の巻線が交差することを可能にするために、２つのＰＣＢトラックレイヤを用いて形成された４つのコイルを有する別の検出巻線配置を示す。図７から図９の配置と比較して、この配置は、与えられたトラック間隔に対して半分のターン数が可能であり、これは速度感度を半分に減少させるという欠点を有する。しかしながら、利点は、ボイスコイルフォーマが移動するにつれて、検出巻線のより等しい長さが二次磁場に浸かることである。また、この巻線配置は、コイルの上部（２つの磁気ギャップから離れて配置される部分）が、ボイスコイルの軸の周りで時計回りと反時計回りに略同じ数のターンを有することを可能にし、これは検出とボイスコイルとの間の電磁結合を最小化するのに役立つ。

明らかなように、二次磁場及びギャップについて多くの可能な配置がある。図４の例では、完全に別個のネオジム磁石のセットを使用して二次磁場を生成しているが、単一の磁気回路を使用して一次ギャップ及び二次ギャップの両方の磁場を生成することも可能である。図１３及び図１４は、２つの可能な代替形状を示している（より明確にするために、図１３ａ及び１４ａはボイスコイルが存在し、フォーマが存在しない形状を示し、図１３ｂ及び１４ｂはフォーマが存在し、検出巻線が見える形状を示している）。図１３の例では、一連の交互に対向するノッチ１２２及びリッジ１２２のペアが、二次磁場を生成して検出巻線１１８に通電するために、磁石配置の上部プレート１０６’に形成される（この場合、モータ及びコイルの形状は、相互インダクタンスを最小化するように注意深く設計されなければならない）。図１４は、図４の代替配置を示しており、ネオジム磁石１２０のペアが二次ギャップに対して磁場を生成するものである。検出巻線に加えられる磁束を増加させ、浮遊磁場を減少させるために、図１３のようにノッチ及びリッジを備えた上部プレート１０６を提供するか、又は鋼片を追加し得る。一次ギャップ及び二次ギャップと磁気回路との間に大きな相互作用がある場合、相互インダクタンスを最小化するためにコイル形状を最適化する必要がある。

図７から図９及び図１２に概略示されている検出巻線は平面ではなく、第２の磁場（図７のＤ２）内を移動することによって活性化される検出巻線の部分が軸方向、円周方向であり、全ての円周位置で往復軸に対して実質的に垂直であるように、ボイスコイルフォーマ（図１３ｂ及び図１４ｂでは円筒形である）に「巻かれている」一方で、各検出巻線のループは平面ではなく、一次元で湾曲していることが図１３ｂ及び図１４ｂから分かるであろう。

もちろん、本発明の範囲から逸脱することなく、上述の実施形態に対して多くの変形が可能であることが理解されるであろう。例えば、本発明は、主に円筒形ボイスコイル及びフォーマを参照して説明されている。

しかしながら、本発明は、長円形、楕円形又はレーストラック形状（８の字、又は角が丸い三角形／正方形／多角形）、平面形又は六角形のボイスコイル及びフォーマ、又はボイスコイル軸に略垂直な平面に位置し、中央穴を有する１つ又は２つの直交方向に対称である任意の形状のような非円形配置にも同様に適用される。ボイスコイルギャップを通電するために磁石のアレイが使用されてもよく、本発明は、複数のコイル及び／又は複数のギャップを有するドライバ、ボイスコイルアクチュエータ、及びデュアル又は複数のボイスコイルドライバを含む適切な駆動コイルを組み込んだ他の種類のモータ又はアクチュエータに適用することができる。第２の磁場は、第１の磁場からオフセットされてもよく、軸に垂直な検出巻線のオーバハング（図７のＤ２）をボイスコイルよりも高くすることが可能である。説明したように、単一の磁気回路を使用して両方の磁場を生成することも、別々の磁気回路を使用して各磁場を生成することも、複数の磁気回路の組み合わせを使用して、組み合わせて第１及び第２の磁場を生成することもできる。１つの第２の磁場を有する実施形態のみが記載されているが、軸に沿って間隔を置いた１つ以上の第２の磁場があってもよい。本発明は、本明細書では、ボイスコイルがボイスコイルフォーマの外側に巻かれている最も一般的なフォーマ及びボイスコイル配置に関して主に記載されている。

しかしながら、本発明の原理は、例えば、ボイスコイルフォーマがボイスコイルの外側の周囲にある場合、ボイスコイルフォーマの外側の１つ及び内側の１つの２つのボイスコイルがある場合、又はボイスコイルの外側の１つ及び内側の１つの２つのボイスコイルフォーマがある場合等、他のフォーマ及びボイスコイル配置にも同様に適用できる。上記及び特許請求の範囲で使用されている「周囲」という語は、これらの代替配置の全てを包含するものとして解釈されるべきであり、他の要素の周囲にあると記載されている要素が外側の周囲にしかないことを意味するものではなく、要素が内側の周囲にある配置も包含する。

異なる変形又は代替配置が上記に記載されている場合、本発明の実施形態は、そのような変形及び／又は代替を任意の適切な組み合わせで組み込み得ることを理解すべきである。

Claims (18)

1. 磁場中で往復運動するラウドスピーカドライバの瞬間速度を測定する方法であって、前記ドライバは、フォーマに同軸に巻かれたボイスコイルと、前記フォーマに同軸に配置される検出巻線とを有し、前記ドライバは、前記ボイスコイルへの電気信号の印加により、往復軸に沿って往復運動するように駆動され、前記方法は、
   主として前記ボイスコイルと結合するように配置され且つ適合される第１の磁場を提供すること、
   主として前記検出巻線と結合するように配置され且つ適合される第２の磁場を提供すること、及び
   前記第２の磁場中で軸方向に往復運動する際に第２の検出巻線に誘起される電圧を検出すること
   を含み、
   前記第２の磁場は、前記往復軸に対して円周方向である配向周期性を有し、前記配向周期性は、前記往復軸に沿って前記フォーマの長さの少なくとも一部にわたって延びる、方法。
2. 前記第１及び第２の磁場を前記軸に沿って異なる位置に配置することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１及び第２の磁場を重畳することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記電気信号が前記ボイスコイルを駆動するために印加されるときに前記ボイスコイルに生成される磁気駆動場と前記第２の検出巻線が結合しないようなパターンで前記第２の検出巻線を前記フォーマに適用することを含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記第１の磁場は、前記往復軸に対して主として放射状である、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
6. フォーマに同軸に巻かれたボイスコイルであって、これらは一緒に、電気信号が前記ボイスコイルに印加されたときに、前記フォーマに接続された音響振動板を往復軸に沿って往復運動させるように、磁石配置におけるギャップ内で往復軸に沿って往復運動して、音響エネルギーを放射するように適合され、前記ボイスコイルは前記軸及び前記フォーマに沿って第１の距離を延びる、ボイスコイルと、
   前記フォーマに同軸に配置され、且つ前記往復軸に沿って第２の距離を延びる検出巻線と
   を備え、
   前記磁石配置は、２つの磁場を生成するように適合され且つ構成され、第１の磁場が主として前記ボイスコイルを往復運動するように駆動し、且つ前記第１の距離に軸方向に隣接して配置され、第２の磁場が前記第２の距離に軸方向に隣接して配置され、且つ主として前記検出巻線と結合するように適合され、前記検出巻線は、偶数個のループの形態で前記フォーマの周囲に配置され、前記偶数個のループは前記フォーマの周囲に別々に配置されるが、単一の巻線を形成するように電気的に接続され、各ループは前記往復軸に対して実質的に垂直なループ軸の周りに延びる、ラウドスピーカ。
7. 前記第１及び第２の磁場、並びに前記第１及び第２の距離は、前記往復軸の方向に重なる、請求項６に記載のラウドスピーカ。
8. 前記第１及び第２の磁場、並びに前記第１及び第２の距離は、前記往復軸の方向に重ならない、請求項６に記載のラウドスピーカ。
9. 第２の検出巻線が、前記フォーマの周りに円周方向に配置される複数の別個のコイルを含む１つ以上のレイヤにおいて前記フォーマの外面上に形成され、各コイルはループ軸の周りに延びる複数の隣接するターンを含む、請求項６～８のいずれか１項に記載のラウドスピーカ。
10. 円周方向に隣接するコイルが交互方向にターンする、請求項９に記載のラウドスピーカ。
11. ２つ以上のプリントレイヤを備え、１つのレイヤにおけるプリントコイルは、隣接レイヤにおけるプリントコイルと往復軸の周りに円周方向に整列される、請求項８又は９に記載のラウドスピーカ。
12. 各コイルの一部が前記往復軸に対して垂直に整列され、各コイルの前記一部におけるターンが、前記コイルの残りの部分を形成するターンよりも大きい距離だけ前記往復軸に対して互いに離間される、請求項９～１１のいずれか１項に記載のラウドスピーカ。
13. 前記検出巻線は、前記フォーマの内面側又は外面上に形成されるプリント回路の形態である、請求項６～１２のいずれかに１項に記載のラウドスピーカ。
14. 前記第１の距離は、前記第２の距離よりも小さい、請求項６～１３のいずれかに１項に記載のラウドスピーカ。
15. 前記磁石配置は、前記第１及び第２の磁場を発生させるための別個の第１及び第２の磁石を含む、請求項６～１４のいずれかに１項に記載のラウドスピーカ。
16. ラウドスピーカボイスコイルが同軸に巻かれるフォーマであって、前記フォーマ及び前記ボイスコイルは、前記フォーマに接続される音響振動板が往復軸に沿って往復運動して、音響エネルギーを放射するように、磁石配置におけるギャップ内で前記往復軸に沿って往復運動するように適合され、前記フォーマは、前記フォーマの周りに円周方向に配置される複数の別個の検出コイルを含む１つ以上のプリント回路レイヤにおいて、前記フォーマの外面及び／又は内面に形成される検出巻線を備え、各コイルは、複数の隣接するターンを含み、前記検出コイルは、前記フォーマの周囲に別個に配置されるが、単一の巻線を形成するように電気的に接続され、各検出コイルは、前記往復軸に対して実質的に垂直なループ軸の周りに延びる、フォーマ。
17. ２つ以上のプリントレイヤを備え、１つのレイヤにおけるプリントされた検出コイルは、隣接するレイヤにおけるプリントされた検出コイルと前記軸の周りに円周方向に整列される、請求項１６に記載のフォーマ。
18. 各検出コイルの一部が前記往復軸に対して垂直に整列され、各検出コイルの前記一部のターンが、前記検出コイルの残りの部分を形成するターンよりも前記往復軸に対してより大きな距離だけ互いに離間される、請求項１６又は１７に記載のフォーマ。
    

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