JP3583262B2 - Electromagnetic sound transducer - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は電気信号に変換された音声や騒音信号を再生するスピーカである電磁音響変換装置に係り、特に導電体の振動板に誘起する渦電流と励磁電流の間に発生する電磁反発力(ローレンツ力)によって振動板が振動する原理を利用した電磁音響変換装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図29は例えば特開昭56−9797号公報に示された従来の電磁力を利用した発音体である電磁音響変換装置の構成図である。この図29においてAはスピーカ本体、Bは励磁回路装置、1は枠体、2は底板、3は励磁コイル、3a,3bはリード線、4は磁極、5は磁性の基板、6は永久磁石、7は振動板、8,9はコネクタである。
【0003】
また、図30及び図31は励磁電流の波形例を示す図である。図30において、a1は周期T0のパルス性の周期性電流波形、a2は周期T1の断続信号波形、a3はa2の周期で断続された周期性電流波形、a4はa3の励磁電流で駆動された振動板の振動波形である。図31において、b1は周波数f0の正弦波状の周期性電流波形、b2は周波数f2の変調信号波形、b3は変調された周期性電流波形である。
【0004】
次に動作について説明する。
この電磁音響変換装置は、アラーム時計などの信号音発音用に供せられるスピーカである。励磁回路装置Bは図30に示したように周期性電流を所定の周波数で断続あるいは図31に示したように正弦波信号による変調を行ったうえで、励磁コイル3に給電する。
【0005】
励磁コイル3は磁極4とともに交流電磁石を形成する。電磁石が発生した交流磁界は、永久磁石6で磁気バイアスされた振動板7に交番電磁力を与え、振動板7を所定の周波数で振動させる。振動板7の固有振動数と励磁電流の周期を一致させれば振動板7は激しく振動し、この励磁周波数の2倍の周波数を可聴限界外に、断続あるいは変調周波数を所望の信号音の周波数に合わせれば、効率良く信号発生音を得ることができる。
【0006】
この従来技術は、金属の平板に直接電磁力を起こし、振動させるため、発音体全体を薄く構成できる。また振動板7を含む構成部品はほとんどが金属、無機質材で形成されているため、高い温度、低い気温の環境にも適用できる。
【0007】
この例の他に、音声や騒音信号を再生する電磁音響変換装置として、コーン型振動板にムービングコイルを取り付け、ムービングコイルを永久磁石で形成した磁場の中に入れ、このコイルに音声信号などを増幅して生成した電流を流し、磁場の磁力線と、コイル電流間で発生する電磁力(ファラデー力)で振動板を振動させて発音する動電型コーンスピーカが一般的なものとして利用されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電磁音響変換装置は以上のように構成されているので、図29に示した振動板7の固有振動と電磁力(磁気圧)という物理現象を利用して単一の信号音を発生するものであるため、音声や騒音信号など複雑な周波数成分で形成される信号音を発生できるものではなく、ましてや、録音されて電気信号に変換された音声や騒音信号を再生することができないなどの課題があった。
【0009】
また、コーン型スピーカである電磁音響変換装置においては、加振力を得るためにコーン形振動板の中央部に設けた別体のコイルが必要であり、このためスピーカ全体の振動方向に占める長さが大きくなるなどの課題があった。
【0010】
更に、振動板の軽量化のために、紙などの繊維質で成形されていたり、有機接着剤が使われていたりすることにより、利用できる温度範囲が狭いなど、環境適用性が十分ではなく、このことから携帯機器のように厚さの許容範囲が狭く、また色々な環境で使われる機器や、自動車ANC(Active Noise Contorol )用など薄型かつ耐環境特性の要求されるところには適さないなどの課題があった。
【0011】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、音声や騒音を再生する機能を、薄い構造形態で、且つ高低温、高湿、高塵などの厳しい環境条件下でも利用できる電磁音響変換装置を得ることを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明に係る電磁音響変換装置は、第1励磁装置の出力電流が供給された第1加振コイルに流れる励磁電流と振動板に誘起される渦電流との間に働く電磁反発力によって変調信号に応じた振動加振力を得、この振動加振力により音声あるいは騒音信号の再生音を発生するものである。
【0013】
請求項2記載の発明に係る電磁音響変換装置は、振動板の一部分に電気的絶縁性磁性材による磁性板を設け、磁性板と対向する位置に永久磁石手段を設けたものである。
【0014】
請求項3記載の発明に係る電磁音響変換装置は、第1励磁装置の出力電流が供給された第1加振コイルに流れる励磁電流と振動板に誘起される渦電流との間に働く電磁反発力によって第1変調信号に応じた第1振動加振力と直流的反発力を得、第2電力増幅手段の出力電流が供給された第2加振コイルと磁性板との間に働く磁気吸引力によって第2変調信号に応じた第2振動加振力と直流的吸引力を得、直流的反発力と直流的吸引力が互いに相殺され、第1及び第2振動加振力が合力として振動板に作用することにより、音声あるいは騒音信号の再生音を発生するものである。
【0015】
請求項4記載の発明に係る電磁音響変換装置は、第1電力増幅手段の出力電流が供給された第3加振コイルに流れる励磁電流と振動板に誘起される渦電流との間に働く電磁反発力によって第1変調信号に応じた振動加振力と直流的反発力を得、第2電力増幅手段の出力電流が供給された第4加振コイルに流れる励磁電流と振動板に誘起される渦電流との間に働く電磁反発力によって第3変調信号に応じた振動加振力と直流的反発力を得、双方の直流反発力が互いに作用方向が逆であることにより相殺され、双方の振動加振力が合力として振動板に作用することによって、音声あるいは騒音信号の再生音を発生するものである。
【0016】
請求項5記載の発明に係る電磁音響変換装置は、振動板を、単一有機材、複数種類の有機材の積層材、有機材の成形材のいずれかで形成された板と、この板に埋め込み或いは貼り合わせられた導電及び非磁性金属板とで構成したものである。
【0017】
請求項6記載の発明に係る電磁音響変換装置は、振動板の板及び非磁性金属板を、複数種類の形状に成形したものである。
【0018】
請求項7記載の発明に係る電磁音響変換装置は、振動板を、0.4mm〜1.6mmの銅板、あるいは0.5mm〜2.0mmのアルミニウム板としたものである。
【0019】
請求項8記載の発明に係る電磁音響変換装置は、弾性支持手段を、振動板の周辺部を挟み込む高密度グラスウール材あるいはゴム材により構成したものである。
【0020】
請求項9記載の発明に係る電磁音響変換装置は、弾性支持手段を、振動板の端部の複数箇所に溶接あるいはネジ止め固定した金属製スプリング材で構成したものである。
【0021】
請求項10記載の発明に係る電磁音響変換装置は、振動板の外面あるいは内面にリブ材を設けたものである。
【0022】
請求項11記載の発明に係る電磁音響変換装置は、弾性支持手段を、グラスウール材に金属製スプリング材を埋め込んだ構造としたものである。
【0023】
請求項12記載の発明に係る電磁音響変換装置は、弾性支持手段を、加振コイルと振動板との間に設けたものである。
【0024】
請求項13記載の発明に係る電磁音響変換装置は、加振コイルを、電気的に直列接続して複数個設けたものである。
【0025】
請求項14記載の発明に係る電磁音響変換装置は、振動板の外面に、絵柄、文字、記号を書き込む或いは刷り込む、または絵柄、文字、記号を記したシートを張り合わせることによる視覚的情報手段を付したものである。
【0026】
請求項15記載の発明に係る電磁音響変換装置は、振動板の外側に電子的表示機能を有する表示パネルを固着し、上記表示パネルが上記振動板の一部を兼ねるようにしたものである。
【0027】
請求項16記載の発明に係る電磁音響変換装置は、加振コイルのリード線と枠体に設けられたコネクタとの間に静電容量素子を接続したものである。
【0028】
請求項17記載の発明に係る電磁音響変換装置は、励磁装置に、一定値でバイアスした音声信号の波形瞬時値を変換し、電磁力の空隙依存性を補償する数値変換手段を備えたものである。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による電磁音響変換装置の構成図である。但し、電磁音響変換装置は以降の説明においてスピーカと表現する場合もある。この図において、60はスピーカ本体(第1スピーカ本体)、70は励磁装置(第1励磁装置)、62はコネクタ61を介して励磁装置70とスピーカ本体60とを接続し、励磁装置70からスピーカ本体60へ電流を供給するための励磁ケーブル、100は予め録音され電気信号に変換された音声信号を出力するMDプレヤ等のオーディオ出力装置、101はオーディオ出力装置100から励磁装置70に信号を伝えるための信号ケーブル、10は導電、非磁性材料による振動板、20は可撓かつ弾性材料による弾性支持手段、50はスピーカ本体60の枠を形成する枠体(第1枠体)である。
【0030】
また、スピーカ本体60はその断面図である図2に示すように、振動板10に空隙Gを挟んで対向した形で加振コイル(第1加振コイル)30が埋設され、磁極40が枠体50の一部分である基板50cに設置されている。振動板10は弾性支持手段20a、20bに挟まれて支持され、弾性支持手段20a、20bの他方の面は枠体50に固定されている。加振コイル30はリード線31によって、図1に示したコネクタ61を介して励磁ケーブル62と電気的に接続されている。
【0031】
励磁装置70はその回路構成図である図3に示すように、交番電圧発生手段71、変調手段(第1変調手段)72、電力増幅手段(第1電力増幅手段)73を具備して構成されている。変調手段72は入力信号である音声信号v(t)に一定の量αを加算する加算手段74、加算手段74の出力S1と交番電圧信号a(t)を掛け合わせる乗算手段75から構成されている。
【0032】
次に動作について説明する。
オーディオ出力装置100から出力された音声信号v(t)は励磁装置70の変調手段72に変調信号として供給される。変調手段72は、加算手段74により音声信号v(t)に一定値αでバイアスをかけた後、乗算手段75によって交番電圧発生手段71の発生する交番電圧信号a(t)に変調(すなわち掛け算)を施して出力する。但し、交番電圧信号a(t)の周波数は所望の音声信号v(t)の周波数帯域の上限よりも大きくする。
【0033】
この変調手段72における各信号波形の一例を図4の(a)〜(d)に示す。(a)は音声信号v(t)の波形、(b)は一定値αのバイアス信号、(c)は交番電圧信号a(t)の波形、(d)は変調後の出力波形である。また、(a)〜(d)において、横軸は時間軸、縦軸は振幅を示す。
【0034】
電力増幅手段73は、変調手段72から出力される変調信号を電力増幅する。励磁装置70は、励磁ケーブル62を介して励磁電流をスピーカ本体60に供給する。
【0035】
スピーカ本体60に供給された励磁電流はリード線31を介して加振コイル30を流れ、磁極40を励磁し、振動板10に音声信号で変調を受けた交番磁力線を鎖交させる。この時、振動板10はその内部に誘起した渦電流と加振コイル30を流れる励磁電流との間に働く電磁反発力を受ける。
【0036】
この電磁反発力は後に詳しく説明するが直流反発力と、変調信号に対応する振動加振力と、交番電圧信号周波数の2倍の振動加振力との三つの成分からなる。振動板10は弾性支持手段20と共にこの中の変調信号に対応する振動加振力によって振動し、音声を放射する。
【0037】
ここで、この発明の電磁音響変換装置(スピーカ)の基本原理を説明する。大きくは3つの要素原理の組み合わせで構成される。
【0038】
1番目は、振動板10を音声信号の時間変化波形に対応させて振動させれば、音声再生音が大気中に放射されるという音響放射の原理、2番目は、加振コイル30と導電性の振動板10との間に働くローレンツ力を主とした電磁力、3番目は、音声信号を比較的高い周波数(5kHz〜20kHz)に変調波として載せて励磁電流とするところの変調方式である。
【0039】
1番目の原理は、従来のコーンスピーカの音放射原理と変わるところはない。ここでこの発明の要点とするところは、2番目の電磁加振力の発生手段と、3番目の音声信号変調手段に係わる原理である。
【0040】
これら原理を数式やグラフを用いて説明する。
先ず、ノーテーションを次のようにする。
v=v(t):音声あるいは騒音の電気信号(時間波形信号)。
a=Am sin2πfs t :交番電圧信号(基本的には周波数fsの正弦波の時間変化波形)。
s1 =v(t)+α :変調信号(時間変化波形)但しαは一定値。
es =es (t):電力増幅された後の変調された交番電圧信号(時間波形)この電源が加振コイル30に励磁電流を供給する。
ic ・n=ic ・n(t):加振コイル電流とコイルの巻回数の積[AT]ベクトル量。
Hi=Hi(t):加振コイル30を流れる励磁電流が作る磁界強度[AT/m]ベクトル量。
j =j(t):振動板10を流れる渦電流の電流密度[A/m2]ベクトル量。
g :振動板10と加振コイル30の間に存在する空隙の長さ[m]。
δ :スキンデプス(磁力線の浸透深さ:表面磁界が1/eに減衰する深さ)[m]。
F=F(t): 電磁力[N]。
fs : 交番電圧信号の周波数。
μ0 : 空気の透磁率(4π×10−7)。
【0041】
電力増幅手段73の出力は電流増幅率をβとして、
es =β・s1 ・Am sin2πfs tで表される。
この出力は加振コイル30に供給され、加振コイル30の電気的インピーダンスZc に応じて、加振コイル電流のic =es /Zc をコイル30に流す。
このコイル電流は、コイルの巻回数をnとしたときic ・nの起磁力を発生する。起磁力の存在する電磁場においては、いろいろな物理的諸元がmaxwellの電磁界方程式によって関係づけられ、求められる。ここで振動板10の表面に働く電磁力は、次式(1)で示される。
【0042】
F=∫Σ{(Hs ・n)Hs −(1/2)・Hs 2・n}da・・・(1)
【0043】
但し、Σは振動板10表面の全領域、Hsは振動板10表面における磁界強度、nは法線ベクトル、daは面積積分要素を示す。振動板10が非磁性の場合、μは空気の透磁率と同じμ0となる。
【0044】
上式(1)右辺の第1項は吸引力の成分である。また磁界強度の法線成分は渦電流Jによるカウンタ磁界によって弱められるので小さい。第2項は反発力の成分である。磁界強度の自乗(ベクトル積)の法線方向成分なので、第2項が優位成分となる。
【0045】
従って電磁力のトータルは振動板10を加振コイル30から遠ざける方向に働く反発電磁力である。反発電磁力は、振動板10表面における磁界強度の接線成分が大きく、法線成分が小さい電磁界分布が形成されると効率良く発生する。このような分布は、振動板10の固有電気抵抗が小さい程、振動板10の厚さ、面積が大きい程、振動板10と加振コイル30、磁極の空隙が小さい程、また励磁周波数がある程度まで高い程、大きくなる。
【0046】
なお、式(1)は、電磁力の大きさが、系(電磁界分布)が同じであれば磁界強度の大きさの自乗に比例することを物語っている。従って、磁界強度は起磁力に比例するので比例係数をkとして
【0047】
となる。
但し、kt =kβn2 Am 2/Zc2
【0048】
ここでS1 は音声波形の時間変化信号に一定値をバイアスとして加えた形、すなわち
【0049】
S1 =α+V(t) ・・・(2)
【0050】
なので
F=kt ・(α2 +2αV(t)+V2 )(1/2)(1−cos4πfs t)
となる。
【0051】
ここでバイアスαを音声波形の大きさに比べて相当(10倍以上)に大きくすれば、上式は次式(3)のように近似できる。
【0052】
【0053】
この式(3)で、第1項は直流反発力成分、第2項は音声波形v(t)による加振力成分、第3、第4項は周波数2fs[Hz]の振動加振力成分である。
次に振動板、弾性支持手段で形成される振動系において動く部分の質量をM、ばね定数をκ、機械抵抗をrとすると機械インピーダンスZm は、角速度ω(=2πf)として、Zm =jωM+K/jω+Rである。ここで
【0054】
ωM=K/ω
となる共振周波数f0 を低音域の低い周波数例えば50〜300Hzになるよう、振動板10の質量及び弾性支持手段20a、20bのばね特性を選ぶ。
【0055】
また前記の交番電圧の周波数fs をf0 に比して高く例えば5k〜50kHzに選ぶならば、式(5)の第3、第4項の振動加振力による振動は振動系の慣性抵抗によって−30dB程度以下に小さく押さえられる。
【0056】
このことの理解を深めるために図5を示す。この図は振動板10の振動系機械インピーダンスZmの1事例について、振動周波数fを横軸にして描いたものである。図中に追記したf0 が振動系の共振周波数、fs が加振力の周波数の一例である交番電圧信号周波数、帯域Aとあるのはこの発明のスピーカが再生する音声帯域である。
【0057】
交番電圧信号a(t)に基づく加振力に対するインピーダンス(Z2fs で図示)は音声再生帯域のインピーダンスZs に比べて非常に大きいことが分かる。従って振動板10は音声信号v(t)にしたがった加振力を支配的な力として受けて振動し、音声再生音を放射することになる。
【0058】
繰り返して説明するならば、この発明の基本的な特長は3つ有り、1つ目は、式(1)の示す電磁力の成分の中で非磁性、導電材の場合に支配的となる反発力を利用すること。2つ目は、式(3)に示されたように一定値αでバイアスされた音声信号v(t)を交番電圧信号a(t)の変調信号とすること。3つ目は、振動板振動共振周波数に対して交番電圧信号a(t)の周波数fs を十分に大きくとって交番電磁力による振動放射音を極力抑制することである。
【0059】
ここで、上記の電磁音響変換装置の構成要素の材質及びサイズ等を、図6を参照して具体的に説明する。但し、音声再生周波数帯域が100〜7kHzであることを前提条件とする。
【0060】
振動板10にはアルミニウム金属円板を用いる。アルミニウムは導電率が高く、非磁性であるとともに、他の高導電金属に比較して比重が小さい。従って電磁反発力も得やすくかつ振動板10の機械インピーダンスも小さいものが設計でき、スピーカとしての総合能率を高くすることができる。
【0061】
また、振動板10として必要な厚さは、スキンデプスの評価式(δ=SQRT(2ρ/ωμ))から決定する。励磁周波数(交番電圧信号a(t)の周波数)20kHzのときのアルミニウムのスキンデプスδは約0.6mmである。
従って、電話音声帯域を再生帯域とする場合は振動板の厚さは0.5〜2mmとするのが望ましい。これより薄い板とすると、電磁力が減少する反面、ジュール発熱が増加する。なお、銅板の場合は、固有抵抗ρがアルミニウムより40%ほど低いので、最適な板厚は0.4〜1.6mmである。
【0062】
弾性支持手段20は、振動板10の周縁部をリング状の数mm厚の高密度グラスウールで挟み込んだ構造とする。グラスウールは、ばね性と適度なダンピング特性を与え、耐熱性も有る。空隙Gは1〜2mm程度とする。空隙Gは狭いほど電磁力発生効率(単位アンペアターン当たりの電磁力)が良くなるが、振動板10の振動ストロークが狭くなること及び、電磁力の空隙依存性が大きくなり、因って、再生音に非線型歪みが発生しやすくなる。前記した空隙長とするのは、最大ストローク長を1mm程度のスピーカとするためである。
【0063】
次に、加振コイル30は、励磁周波数に応じて、できるだけ細い(0.4mm程度以下)絶縁電線を撚り合わせたいわゆるリッツ線とするのが望ましい。これはコイルでの渦電流や、環流損失を抑制し、スピーカとしての総合能率を向上するためである。
【0064】
磁極40は、励磁電流が比較的高い(20kHz)ので、加振コイル30と同じく渦電流の流れにくい材料、ここでは磁性粉体成形材料例えばフェライトで形成する。但し、磁極40はこの発明のスピーカにおいて必ずしも必要なものではない。例えば、図6に示すように磁極40は設けないで、基板50cを高抵抗磁性材料としても良い。その代わり何らかのコイル支持手段を設ける。
【0065】
枠体50は、スチールやプラスティックなどの材料で、板金、成形などによって作る。枠体50は弾性支持手段20a、20b、および加振コイル30を支持固定することにより、振動板10と加振コイル30の間の空隙を所定の長さに確保する役目を担う。また振動板10、支持手段20を合わせて、密閉に近い空間を確保し、振動板10の背面からの放射音波を外部に出さないようにすることも枠体50の役目である。但し、枠体50に一部開放部を設け、バスレフ方式のスピーカとすることもできる。
【0066】
交番電圧信号a(t)の周波数の選択は、この発明のスピーカにとって最も重要な課題である。何故なら、電磁力の大きさ、それによって引き起こされる振動加振力の大きさ、電磁力発生効率、加振コイル30の電気的インピーダンス、電子回路(特にパワートランジスタ)、放射周波数の聴感特性との係わりなどスピーカ性能に大きく係わるからでる。
【0067】
20kHzを交番電圧信号a(t)の周波数に選ぶと、この信号a(t)だけの場合は40kHzの電磁加振力となる。この40kHzは普通、人間の聞こえる限界周波数を大きく超える。また振動板10の質量による慣性力により、高い周波数では、振動板10は振動し難くなる。
【0068】
周波数を高くし過ぎると、加振コイル30や増幅回路のジュール損失が増えて、効率を悪くすることや、空中に不要輻射の電波を放出する割合が大きくなったりする。また、交番電圧発生手段71は、オーディオ機器などで常用される、演算増幅用半導体集積回路、抵抗、コンデンサで構成されるRC発振回路であって良い。加算手段74、乗算手段75も同様にて構成される。
【0069】
電力増幅手段73には、ターンオフ時間の短いパワートランジスタを用いる。但し、電力増幅手段73の負荷である加振コイル30はほとんどがリアクタンス成分であるところの高いインピーダンスを有する。従って、加振コイル30に所定のアンペアターン:数100ATを供給するためには、高電圧の出力となることに留意が必要である。
【0070】
上述のような材質及びサイズ等とすることにより、スピーカ本体60の肉厚を5〜20mm程度の薄型とすることができ、また100℃を越える高温環境でも動作不能となることがない堅牢なスピーカとすることができる。
【0071】
以上のように、この実施の形態1によれば、導電、非磁性の振動板10、振動板10と空隙Gを挟んで対向配置された加振コイル30、振動板10を支える弾性支持手段20a、20b、弾性支持手段20a、20bと加振コイル30を所定の配置で固定支持する枠体50で構成されたスピーカ本体60、一定の周波数の交番電圧信号a(t)を発生する交番電圧発生手段71、電気信号v(t)に予め変換された音声あるいは騒音信号に一定値のバイアス信号αを加えた信号s1 で、交番電圧信号a(t)を変調し、この変調信号を出力する変調手段72、変調手段72の出力信号を電力増幅する電力増幅手段73で構成される励磁装置70から成り、励磁装置70の出力電流をスピーカ本体60の加振コイル30に供給し、かかる加振コイル30に流れる励磁電流と振動板10に誘起される渦電流の間に働く電磁反発力によって変調信号es(t)に応じた振動加振力を得、かかる振動加振力によって音声あるいは騒音信号v(t)の再生音を放射するようにしたので、平板形状の振動板10に直接振動力を生み出し、音声や、騒音信号を再生できる薄型の電磁音響変換装置とすることができ、また、剛性のある且つ温度などの使用環境適合性の高い材料で構成され、有機接着剤を使うことがないので、高温環境においても使用できる電磁音響変換装置とすることができる効果が得られる。
【0072】
実施の形態2.
図7はこの発明の実施の形態2による電磁音響変換装置におけるスピーカ本体の構造断面図である。この図7において図2の各部に対応する部分には同一符号を付す。図7において、15は振動板10の一部分に磁極40と対向する位置に固着された磁性材料による磁性板、34は磁性板15に対向する位置に加振コイル30と並べて設けられた永久磁石手段である。
【0073】
次に動作について説明する。
振動板10には、式(3)の第1項に相当する直流的反発力が作用している。この力は、弾性支持手段20に常時一定の応力をかけていることになるので、ばね効果の上下(図において)非対象性が現れやすくなり、よって放射音も歪んだものとなる可能性がある。
【0074】
この実施の形態2は、その点を改良することを考えたものであり、磁性板15と永久磁石手段34との間に作用する磁気吸引力によって振動板10に下向き(加振コイル30向き)の力を加える。磁気吸引力は、磁性板15と永久磁石手段34の間にできる空隙長さや、磁性板15の材料(比透磁率)を選択することにより調整でき、前記した直流的反発力と同程度の大きさとする。
【0075】
このように調整することによって、スピーカとして動作中、振動板10には、吸引力、反発力が拮抗して、直流的反発力がほとんどかからず、非線形振動による音質劣化が抑制される。
【0076】
なお、加振コイル30の発生する交番磁束が磁性板15に鎖交するとその磁界による交番吸引力や渦電流による発熱が起こるので、できるだけ鎖交しないよう配置を工夫する必要がある。特に発熱は問題が大きい。但し、磁性板15を磁性粉体成形やレジン含侵材料で作れば発熱は起こらない。
【0077】
以上のように、この実施の形態2によれば、磁性板15と永久磁石手段34との間に作用する磁気吸引力によって振動板10に加振コイル30向きの力を加えるようにしたので、スピーカとして動作中、振動板10に、吸引力、反発力が拮抗して、直流的反発力がほとんどかからず、非線形振動による音質劣化を抑制できる効果が得られる。
【0078】
実施の形態3.
図8はこの発明の実施の形態3による電磁音響変換装置におけるスピーカ本体の構造断面図である。この図8において図7の各部に対応する部分には同一符号を付す。図8において、12は振動板10に埋め込まれるあるいは貼り合わされた実施の形態5〜8で詳細に説明する非磁性金属板、35は図7に示した永久磁石手段34に代えて設けられた加振コイル(第2加振コイル)、36は永久磁石手段34に代えて設けられ、加振コイル35の横に配置された磁極、50aは枠体(第2枠体)、60aはスピーカ本体(第2スピーカ本体)である。
【0079】
また、図9はこの発明の実施の形態3による電磁音響変換装置における励磁装置の回路構成図である。図9において、70aは励磁装置(第2励磁装置)、72aは変調手段(第2変調手段)、79は音声信号v(t)の位相を180度反転する反転手段、80は変調信号のバイアスとして用いるバイアス値αと反転された音声信号−v(t)を加算する加算手段、77は加算手段80の出力信号を既定値C倍する乗算手段、78は乗算手段77の出力信号で交番電圧信号a(t)を変調する乗算手段、73aは乗算手段78から出力される変調信号(第2変調信号)を電力増幅して加振コイル35に励磁電流er (t)を供給するための電力増幅手段(第2電力増幅手段)である。なお、加算手段74、乗算手段75、電力増幅手段73、交番電圧発生手段71は図3と同構成である。
【0080】
次に動作について説明する。
上記実施の形態1及び2は、振動板10の加振力に反発電磁力のみを利用したものであったが、この実施の形態3では、反発電磁力に加えて磁気吸引力(磁性体の表面に作用する磁気圧力)をも利用しようとするものである。このことにより振動板を加振する力は2倍にでき、放射音の音圧レベルを高めることができる。
【0081】
音声信号v(t)を加算手段74で一定値バイアスの後、乗算手段75で交番電圧信号a(t)を変調して加振コイル30に励磁電流を流し、電磁反発力を得るための励磁系統にもう一つの励磁系統を加える。
【0082】
すなわち、音声信号v(t)を反転手段79で位相反転(デジタル数値の場合は符号反転)し、この反転音声信号−v(t)に加算手段80でバイアス値αを加算し、更に乗算手段77により既定値Cでスケーリングした後、交番電圧信号a(t)を変調し、電力増幅73aで増幅した後、その出力er (t)を、磁気吸引力を得るための加振コイル35に供給する。
【0083】
この追加された励磁系統は式(1)の電磁力表現式において、磁性体表面であること、従って透磁率μが大きいこと及び法線成分が多いことにより、第1項(Hs ・n)Hs が第2項に比べて圧倒的に大きい。
【0084】
従って、磁性板15に働く電磁力は、∫Σμr ・μ0 (Hs ・n)Hs として計算できる。Hs は加振コイル35に流れる励磁電流ir と、加振コイルターン数nr の積であるアンペアターンで作り出され、結局、吸引力は加振コイルアンペアターンの自乗に比例した形で表現できる。
【0085】
そこで、加振コイル35に供給する電流ir は、加振コイル35の電気的インピーダンスをZr とすると
但し、γは増幅手段の増幅率、Cは乗算手段77の乗算係数、
s2 =−v(t)+α
そこで吸引電磁力Fr は、比例係数をkr とすると
ここでs2 =α−V(t)であるから、
【0086】
となる。
【0087】
この式(4)によっても、電磁力は、直流吸引力成分、音声波形による加振力成分、周波数fs の2倍の振動加振力成分から成り立っていることが分かる。
【0088】
ここで、式(3)のkt を参照して、ktr=ktとなるようγやCを選ぶこととすると、振動板10に加わる電磁力の合力は
となり、直流反発力と吸引力が相殺して消滅し、音声信号成分の振動加振力と、音声波形で変調された交番電圧信号の2倍の周波数成分の交番電磁力のみとなる。
【0089】
すでに説明しているように、後者の成分については、振動板10の慣性質量の影響と、人間の聴覚限界から、再生音への影響は小さいので、式(5)は実質的には、音声信号による振動加振力だけと考える事ができる。
【0090】
但し、加振コイル30に流れる励磁電流と加振コイル35に流れる励磁電流とは、一般的には位相が異なっており、従って電磁力のうち、交番電圧周波数の2倍の振動加振力も位相が異なっている。
【0091】
このことを考慮すると、式(5)の第2項は補正されなければならないが、この発明の原理上では問題とならない。
【0092】
更に、この実施の形態3によれば、V(t)のレベルに対する制約条件は|V(t)|≦αだけであり、極端には交番電圧信号a(t)の振幅の半分まで取り得る。従って、加振力発生能率は実施の形態1の構成に比べ格段に向上する。
【0093】
但し、この実施の形態3においては、反発力と吸引力の作用する場所が異なるため、振動板10の剛性が小さい場合は、強制変形や変形振動を起こす欠点がある。これに対しては、図10に示すように、振動板10の両面あるいは片面において反発力と吸引力のそれぞれ力点を結びさらにその力点を延長した範囲に補強リブ16を付けることで改善する。
【0094】
また、図11に示すように、従来コーン型スピーカで採用されているハネカム構造のハネカム振動板10aをアルミなどの導電性の高い金属で作り、そこに、アルミのドーナツリングと極薄の珪素鋼板で作成した磁性板15を貼り合わせる構造としても良い。
【0095】
以上のように、この実施の形態3によれば、電力増幅手段73の出力電流を加振コイル30に供給し、かかる加振コイル30に流れる励磁電流と振動板10に誘起される渦電流との間に働く電磁反発力によって変調信号に応じた振動加振力と直流的反発力を得、電力増幅手段73aの出力電流を加振コイル35に供給し、かかる加振コイル35と磁性板15との間に働く磁気吸引力によって変調信号に応じた振動加振力と直流的吸引力を得、直流的反発力と直流的吸引力は互いに相殺し、振動加振力は合力として振動板10に作用し、よって音声あるいは騒音信号の再生音を発生するようにしたので、弾性支持手段20の静的な変位がなく、より非線形歪みの小さい、及び振動加振力が増大し、より再生音圧の高いスピーカとすることができる効果が得られる。
【0096】
実施の形態4.
図12はこの発明の実施の形態4による電磁音響変換装置におけるスピーカ本体の構造断面図である。この図12において図6の各部に対応する部分には同一符号を付す。図12(a)において、30a,30bは振動板10を挟み同じ長さの空隙を有して対向配置された加振コイル(第3及び第4加振コイル)、40a,40bは加振コイル30a,30bを枠体(第3枠体)50bに固定する支持体、60bはスピーカ本体(第3スピーカ本体)である。但し、支持体40bについては、図12(b)に外観を示すように、音の放射孔を確保できるような構造(例えば梁構造など)とすることが要件となる。
【0097】
図13はこの発明の実施の形態4による電磁音響変換装置における励磁装置の回路構成図である。図13において、70bは励磁装置(第3励磁装置)、71は交番電圧信号発生手段、72bは変調手段(第3変調手段)である。
【0098】
次に動作について説明する。
この実施の形態4の特徴は変調手段72bにある。この変調手段72bは音声信号v(t)を2系統の回路に入力する。一方は一定値αを加算手段74によって加算し、交番電圧信号a(t)を乗算手段75によって乗算(変調)し、この変調信号を電力増幅手段73に出力する。
【0099】
他方は、位相反転手段79で位相を反転(デジタル数値信号の場合は符号反転)し、一定値αと加算手段80で加算し、交番電圧信号a(t)を乗算手段78によって乗算(変調)し、この変調信号(第3変調信号)を電力増幅手段73aに出力する。
【0100】
電力増幅手段73,73aは、出力である励磁電流を、それぞれスピーカ本体60bの加振コイル30a,30bにコネクタ61a,61b、リード線31a,31bを経由して供給する。このようなスピーカ本体60bの構成を、励磁方式としたことにより、振動板10の受ける加振力は、以下のようになる。
【0101】
加振コイル30aによって発生する電磁反発力は、
Fa =kt ・(α2 +2αV(t)+V2 )(1/2)(1−cos4πfs t)
一方、加振コイル30bによって発生する電磁反発力は、力の方向が前者に対して逆であることを考慮して、
Fb =−kt ・(α2 −2αV(t)+V2 )(1/2)(1−cos4πfs t)
である。
【0102】
よって、振動板10の受ける加振力は
【0103】
この式は前項の実施の形態における合成力を表す式(5)と同じ表現である。従って、直流電磁力は存在しない。また、この実施の形態4によれば、電磁力の空隙依存性が両側にある空隙が互いに非線形特性を補って、線形特性に近づけるので、放射音の非線形歪みは小さい。
【0104】
また、打ち消し合うように働く電磁反発力の振動板10上の力点の位置は同一の個所(表裏は異なる)なので、直流反発力による振動板の変形は起こり難いし、交番電磁力による変形振動の発生も小さい。従って、振動板10にことさら剛性をたかめるためのリブ補強は必要でない。
【0105】
更に、加振コイル30a,30bが音放射面側にも必要となる欠点があるが、振動板10の設計尤度や励磁装置70励磁回路の調整が容易であるなどの利点に加え、音質の良いスピーカが得られる利点がある。
【0106】
以上のように、この実施の形態4によれば、第1電力増幅手段73の出力電流を第1加振コイル30aに供給し、この加振コイル30aに流れる励磁電流と振動板10に誘起される渦電流の間に働く電磁反発力によって変調信号に応じた振動加振力と直流的反発力を得、第2電力増幅手段73aの出力電流を第2加振コイル30bに供給し、この加振コイル30bに流れる励磁電流と振動板に誘起される渦電流の間に働く電磁反発力によって変調信号に応じた振動加振力と直流的反発力を得、直流反発力は両者の作用方向が逆のために相殺し、一方、振動加振力は合力として振動板10に作用することによって、音声あるいは騒音信号の再生音を発生するようにしたので、弾性支持手段20の静的な変位及び振動板10の静的な変形がなく、より非線形歪みが小さく、振動加振力が増大し、より再生音圧の高いスピーカとすることができる効果が得られる。
【0107】
実施の形態5.
図14はこの発明の実施の形態5による電磁音響変換装置における振動板の構造断面図であり、この図において、10aは板11と非磁性金属板12とで構成された振動板、11は振動板10aを構成する、木材、樹脂積層材、樹脂成形材などの有機材による板、12は板11に埋め込まれるか、貼り合わされた高導電、非磁性の金属による環状の非磁性金属板である。但し、振動板10aは、実施の形態1,2,4で説明したスピーカ本体60,60a,60bのいずれかの振動板10として適用可能である。
【0108】
次に動作について説明する。
非磁性金属板12を流れる渦電流に相当する環電流によって電磁反発力が発生し、有機材の板11の部分を一緒に振動させ音声波を放射する。非磁性金属板12は円形の加振コイル30に対向する位置に来るように、その内径r1と外径r2を選ぶ。このような振動板10aとすれば、振動加振力はほとんど減らないで、慣性質量が小さくなるので、スピーカとしての能率が向上する。
【0109】
以上のように、この実施の形態5によれば、振動板10aを木材、樹脂積層あるいは成形材の一部分に環状の高導電、非磁性金属板12を埋め込むか、貼り合わせた構造としたことで、振動板10aの完成質量を小さくでき、よって、スピーカとしての再生能率を、より高くすることができる効果が得られる。
【0110】
実施の形態6.
図15はこの発明の実施の形態6による電磁音響変換装置における振動板及び加振コイルの構造図である。また、図15の(a)は分解図、(b)は断面図である。図15において、10bは円形板11bに非磁性金属板12bを組み合わせた振動板、11bは木材、樹脂の積層あるいは成形による円形板、12bは導電、非磁性の金属による矩形状の非磁性金属板である。この場合、加振コイル30は例えば矩形状に巻回した構造とする。但し、振動板10bは、実施の形態1,2,4で説明したスピーカ本体60,60a,60bのいずれかの振動板10として適用可能である。
【0111】
次に動作について説明する。
金属板10bと加振コイル30を同じ矩形状とすることにより電磁反発力の発生効率(振動板単位面積当たりの力)が高くなる。この実施の形態6の要点は、振動板10bが受ける振動加振力は矩形状の金属板12bの周辺部に位置するのに対し、振動板10b全体の弾性振動モードの基本パターンは円形状(太鼓モード)であることから、弾性振動が起こりにくい点にある。従って、再生音質の劣化が抑制される。
【0112】
以上のように、この実施の形態6によれば、振動板10bを木材、樹脂積層あるいは成形材の円形板11bの中央部に、矩形状の導電及び非磁性金属板12bを埋め込む構造としたことで、振動板10bの剛性を高めることなく、弾性振動を抑制し、混変調歪みの、より小さい再生音とすることができる効果が得られる。
【0113】
実施の形態7.
図16はこの発明の実施の形態7による電磁音響変換装置における振動板及び加振コイルの構造図である。また、図16の(a)は分解図、(b)は断面図である。図16において、10cは矩形板11cに非磁性金属板12cを組み合わせた振動板、11cは木材、樹脂の積層あるいは成形による矩形板、12cは導電、非磁性の金属による円形状の非磁性金属板である。この場合、加振コイル30は例えば円形状に巻回した構造とする。但し、振動板10cは、実施の形態1,2,4で説明したスピーカ本体60,60a,60bのいずれかの振動板10として適用可能である。
【0114】
次に動作について説明する。
非磁性金属板12cと加振コイル30を同じ円形状とすることにより電磁反発力の発生効率(振動板単位面積当たりの力)が高くなる。この実施の形態7の要点は、振動板10cが受ける振動加振力は円形状の金属板12cの周辺部に位置するのに対し、振動板10c全体の弾性振動モードの基本パターンは直線状(波板モード)であることから、弾性振動が起こりにくい点にある。従って、再生音質の劣化が抑制される。
【0115】
以上のように、この実施の形態7によれば、振動板10cを木材、樹脂積層あるいは成形材の矩形状の非磁性金属板11cの中央部に、円形状の導電、非磁性金属板12cを埋め込む構造としたことで、振動板10cの剛性を高めることなく、弾性振動を抑制し、混変調歪みの、より小さい再生音とすることができる効果が得られる。
【0116】
実施の形態8.
図8はこの発明の実施の形態8による電磁音響変換装置におけるスピーカ本体の断面構造図であり、この図において、10は実施の形態5〜7で説明した振動板10a,10b,10cのいずれかを用いた振動板、15は振動板10に埋め込まれ、あるいは貼り合わされた実施の形態2,3で説明した高抵抗磁性板である。
【0117】
図17はこの発明の実施の形態8による電磁音響変換装置における励磁装置の回路構成図であり、この図において、70cは励磁装置、72cは変調手段、77はバイアス値αを既定値C倍する乗算手段、73aは乗算手段77の出力を電力増幅する電力増幅手段である。
【0118】
次に動作について説明する。
励磁装置70cは電力増幅手段73が加振コイル30に音声信号v(t)で変調された交番電圧信号a(t)に対応した電流を供給すると同時に、電力増幅手段73aが加振コイル35にバイアス値αに相当した電流を供給する。これによって、振動板10に固着された磁性板15が、加振コイル35と磁極36で形成される電磁石によって磁気吸引力を受ける。
【0119】
吸引力の大きさは、励磁電流によって決まり、すなわち変調信号のバイアス値αに相当したものとなっている。振動板10に働く直流反発力はやはりαに相当したものであるから、乗算係数に当たる係数Cを適当な値に選べば、吸引力と直流反発力は振動板10において相殺される。
【0120】
以上のように、この実施の形態8によれば、振動板10を木材、樹脂積層あるいは成形材の円形状板の、中央部に磁性金属小円形板を、周縁部に導電、非磁性金属環を埋め込む構造としたので、振動板10の慣性質量がより小さくなり、よってスピーカとしての再生能率を、より向上することができる効果が得られる。
【0121】
また、吸引力と直流反発力が振動板10において相殺されるようにしたので、非線形歪みの小さい再生音が得られ、また吸引力の調整は電気的に行なえるので簡単且つ確実である効果が得られる。
【0122】
実施の形態9.
図18はこの発明の実施の形態9による電磁音響変換装置における弾性支持手段の構造断面図である。但し、図18の(a)はコイルばね、(b)は板ばねの場合を示している。図18において、20cは枠体50にボルトどめや溶接によって固定された金属製のコイルばね(金属製スプリング材)により形成された弾性支持手段、20dは枠体50にボルトどめや溶接によって固定された金属製の板ばね(金属製スプリング材)により形成された弾性支持手段、10はアルミニウム等の金属板による振動板である。
【0123】
次に動作について説明する。
弾性支持手段20c,20d及び振動板10が金属製なので、スピーカを極低温から300度摂氏程度までの広範な温度環境、例えば自動車排気管で使用することができる。
【0124】
以上のように、この実施の形態9によれば、弾性支持手段20c、20dを、振動板10の端部の複数個所に溶着あるいはネジどめ固定した金属製スプリング材で構成したので、より厳しい環境で使用できるスピーカとすることができる効果が得られる。
【0125】
実施の形態10.
図19はこの発明の実施の形態10による電磁音響変換装置における振動板の構造断面図であり、図において、10は振動板、14は振動板10に接着、溶着、あるいはしぼり出し加工で設けたリブ(骨)材である。但し、振動板10が円形状の場合は、リブ材14は直線形状が望ましい。
【0126】
次に動作について説明する。
振動板10にリブ材14が固定されているので、軸対象状で加わった振動電磁力に対して、振動板は弾性振動を起こしにくくなり、歪み波成分の音放射を抑制することができる。なお、振動板にリブを設けるようなことは、従来のコーン型スピーカなどでは不可能か可能であっても得策ではなかった。平板の振動板10を電磁反発力を利用して振動させる上記構成によって、特段に歪み波成分の音放射を抑制することができる。
【0127】
以上のように、この実施の形態10によれば、振動板10の外側あるいは内側面にリブ材14を設け、弾性振動に対する剛性を高めたことで、弾性振動に対する剛性を高め、よって歪みの小さい再生音とすることができる効果が得られる。
【0128】
実施の形態11.
図20はこの発明の実施の形態11による電磁音響変換装置における弾性支持手段の構造断面図であり、図において、20cはコイルばね、20eはグラスウール材、20はグラスウール材20eにコイルばね20cを埋め込んで形成された弾性支持手段である。
【0129】
次に動作について説明する。
この弾性支持手段20は、コイルばね20cによる適度なばね性とグラスウール材20eによる適度な機械抵抗を有する弾性支持手段20を用いたので、音声の再生帯域を狭くすることで、再生音圧を大きくすることができる。
【0130】
以上のように、この実施の形態13によれば、弾性支持手段20を、グラスウール材20eにコイルばね材20cを埋め込んだ構造としたので、弾性支持手段20が適度な機械抵抗を有するので音声の再生帯域が狭くなり、再生音圧を大きくすることができ、これによって設計裕度すなわち、より広い適用範囲のスピーカとすることができる効果が得られる。
【0131】
実施の形態12.
図21はこの発明の実施の形態12による電磁音響変換装置における弾性支持手段の構造断面図である。この図21(a)及び(b)において、10は円板状の振動板、20e,20gは振動板10の中心よりに配置されると共に加振コイル30の上方に配置され、数本(図示では2本)の梁部53,54で支えられて固定された弾性支持手段であるグラスウール材、53,54はグラスウール材20e,20gを支えて固定するための梁部である。
【0132】
次に動作について説明する。
この実施の形態12の要件は、加振コイル30が弾性支持手段20e,20gの直下に配置されていることであり、このようにすることによって、電磁加振力が、振動板10の弾性振動モードの節、すなわち支持されている5カ所に加わるのみであるから、強度変形が起こりにくく、変形振動を起こす危険性が小さくなる。
【0133】
以上のように、この実施の形態12によれば、加振コイル30と振動板10との間にグラスウール材20gを設けたので、強度変形が起こりにくく、変形振動を起こす危険性が小さくなり、このことによって振動板10の強度変形による振動を抑制し、放射音特性を改善することができる効果が得られる。
【0134】
実施の形態13.
図22はこの発明の実施の形態13による電磁音響変換装置における加振コイルの構造断面図であり、図において、30c,30dは小型加振コイル、40a,40bは加振コイル30c,30dを埋め込む磁極であり、加振コイル30c,30dは電気的に直列接続される。
【0135】
次に動作について説明する。
上記実施の形態1〜12においては、加振コイル30は円形状、矩形状を問わず1個であった。図23に示すように、振動板10は剛性が小さい場合、電磁力の加わる加振コイル30の近傍が変形しながら振動する、いわゆる変形振動が起こる。これは振動板10が変形せずに前面一体となって振動する場合に比べ音波の放射能率を落とし、また指向特性にも影響を及ぼす可能性がある。実施の形態13は、この問題を改善する。
【0136】
図22に示すように、加振コイル30c,30dを複数個用いると、これら加振コイル30c,30dは電気的には直列に接続し、励磁装置60から励磁電流の供給を受ける。このように加振コイル30c,30dを複数個とすることにより、振動板10への加振点が分散し、且つ均等な力での加振となるので変形振動を抑制することができる。なお、加振コイル30c,30dを直列に接続するのは、各加振コイル30c,30dに同じ電流が流れることによって、同じ電磁加振力が得られるからである。
【0137】
以上のように、この実施の形態13によれば、加振コイル30c,30dを複数個設けたので、振動板10の強制変形や弾性振動を小さくし、非線形歪みの、より小さい再生音とすることができる効果が得られる。
【0138】
実施の形態14.
図24はこの発明の実施の形態14による電磁音響変換装置における振動板の外形図であり、図において、18は振動板10に印刷あるいは彫刻された記号、文字、絵柄、または振動板10に貼り付けられたシートに印刷された記号などの視覚的情報手段である。
【0139】
次に動作について説明する。
振動板10に視覚的情報手段18を付すことによって、音声波形の放射による聴覚的情報伝達と、同じ振動板10により視覚的な情報伝達を同時に得ることができる。これは、コーン型スピーカなど従来のスピーカでは文字や図形の表示が不可能か、可能であっても視覚的情報については十分な情報伝達はできなかったが、この平板かつ樹脂積層板や、金属で形成する振動板10であれば、視覚的情報手段18を付すことが可能なので、視覚的情報伝達を行うことができる。
【0140】
以上のように、この実施の形態14によれば、振動板10の外面に視覚的情報手段18を付したので、振動板10を視覚的情報の伝達機能を兼ねるようにすることができ、スピーカと表示パネルの設置スペース効率を高め、よって携帯電子機器等にそのスピーカを用いれば機器の小型化が図れる効果が得られる。
【0141】
実施の形態15.
図25はこの発明の実施の形態15による電磁音響変換装置のスピーカ本体の構造断面図であり、図において、200は例えばLCDパネル、EL(Electro Luminessense)、PD(Plasma Display)、LED(Light Emitted Diode )、VFD(Vacuum Fluphoressense Display )などの電子的表示機能を有し、接着やねじ止めなどの方法で振動板10に固定され、図では上側が表示面となる表示パネル、201は表示パネル200に表示信号や、電気エネルギーを供給するための柔らかい可能性のあるケーブル、202はケーブル201と接続され、また図示せぬ外部の表示ドライバからのケーブルを接続し、枠体50にねじ止めなどの方法で設けられたコネクタである。
【0142】
次に動作について説明する。
この実施の形態15では振動加振力は振動板10で発生し、振動板10と一体となって振動する表示パネル200が音声波形を外部に放射すると同時に表示パネル200は電子的に制御された情報表示を行う。
【0143】
従って、表示パネル200に表示された物語の文章文字を見ながら、その文章を朗読した音声を、あたかもその文字から出てくるがごとき印象で聞くことができ、歌っている歌手の姿や、顔を表示パネルで写すならば、あたかもその歌手(映像)の口から声が出てくるような印象を与えることができる。
【0144】
以上のように、この実施の形態15によれば、振動板10の外側に電子的表示機能を有する表示パネル200、例えばLCDパネルを固着し、表示パネル200自体が振動板10の一部を兼ねるようにしたので、スピーカと表示器の設置スペース効率を高めると共に、AVソースの再生を、より臨場感のあるものとすることができる効果が得られる。
【0145】
実施の形態16.
図26はこの発明の実施の形態16による電磁音響変換装置におけるスピーカ本体の構成を示す概念図であり、図において、63は加振コイル30のリード線31とコネクタ61の間に電気的に接続され、磁極40と枠体50で囲まれた位置に固定された進相用コンデンサ(静電容量素子)である。
【0146】
次に動作について説明する。
この発明のスピーカは加振力を得る原理から、加振コイル30の電気的インピーダンスが極端にリアクティブであり、励磁電源の力率特性は非常に小さくならざるを得ない。従って、所定の電流を供給するためには励磁装置70の電力増幅手段73は高電圧の出力を必要とする。また励磁ケーブル62にも耐電圧特性が要求されることになる。
【0147】
そこで、上記したように進相用コンデンサ63を設ける。進相用コンデンサ63の静電容量値は、加振コイル30の時間平均的なリアクタンスをL、交番電圧信号の周波数fs としたとき、C=1/(2πfs )2 ・Lで求められる共振のための値の半分程度とする。
【0148】
これによりアンプ側から見たインピーダンスが半分程度に減少し、それに伴い、出力電圧も半分程度に下げることができる。また振動板10の振動によるコイルのリアクタンス変動など、リアクタンスの変動による加振コイル電流への影響(惹いては再生音質への影響)も大きくはない。またケーブル62の耐電圧も容易になる。
【0149】
以上のように、この実施の形態16によれば、加振コイル30のリード線31と、枠体50に設けたコネクタ61との間に進相用コンデンサ63を接続挿入したことにより、励磁装置70の必要とする出力電圧を下げることができ、ケーブル62も耐電圧特性も低いもので済むので、より安価なスピーカとすることができる効果が得られる。
【0150】
実施の形態17.
図27はこの発明の実施の形態17による電磁音響変換装置の励磁装置の回路構成図であり、図において、76は図3に示した励磁装置70の加算手段74と乗算手段75との間に接続され、数値αでバイアスされた音声信号S1を補正した数値データS1aを出力する数値変換テーブルによる数値変換手段である。また、この例では入力信号v(t)がデジタル化された信号であるものとし、この場合、増幅手段73が、デジタル/アナログ変換手段を内蔵するものとする。
【0151】
次に動作について説明する。
電磁反発力は、図28に示すように、振動板10と加振コイル30との間の空隙長に依存する。およそ指数関数の形で、空隙が大きくなるにつれて、反発力は小さくなる。振動板の振動ストロークが小さい場合は問題は小さいが、ストロークが大きくなると、再生音の波形歪みが無視できなくなる。
【0152】
そこで、実施の形態17はその問題を解決する数値変換手段を提供するものである。数値変換手段76は、数値αでバイアスされた音声信号S1を入力して補正を施した数値データS1aを出力する。ここで、数値変換手段76、即ち数値変換テーブルの中身は、空隙特性を補償する内容とし、全ての設計条件が定まった後で、具体的な変換数値を求めることになる。
【0153】
以上のように、この実施の形態17によれば、励磁装置70が、一定値でバイアスした音声信号波形瞬時値を変換する数値変換手段76を擁し、電磁力の空隙依存性を補償するようにしたので、非線形歪みの、より小さい再生音を得ることが出来る効果が得られる。
【0154】
【発明の効果】
以上のように、請求項1記載の発明によれば、第1励磁装置の出力電流が供給された第1加振コイルに流れる励磁電流と振動板に誘起される渦電流との間に働く電磁反発力によって変調信号に応じた振動加振力を得、この振動加振力により音声あるいは騒音信号の再生音を発生するように構成したので、振動板に直接音声や、騒音信号の振動力を生み出す薄型のスピーカとすることができる効果がある。
【0155】
請求項2記載の発明によれば、振動板の一部分に電気的絶縁性磁性材による磁性板を設け、磁性板と対向する位置に永久磁石手段を設けて構成したので、永久磁石手段による振動板への吸引力により、加振コイルによる直流電磁反発力を減殺でき、よって弾性支持手段の偏移が抑制され、非線形歪みの、より小さい再生音を得ることができる効果がある。
【0156】
請求項3記載の発明によれば、直流的反発力と直流的吸引力が互いに相殺され、第1及び第2振動加振力が合力として振動板に作用することにより、音声あるいは騒音信号の再生音を発生するように構成したので、弾性支持手段の静的な変位がなく、より非線形歪みの小さい、及び振動加振力が増大し、より再生音圧の高いスピーカとすることができる効果がある。
【0157】
請求項4記載の発明によれば、双方の直流反発力が互いに作用方向が逆であることにより相殺され、双方の振動加振力が合力として振動板に作用することによって、音声あるいは騒音信号の再生音を発生するように構成したので、弾性支持手段の静的な変位及び振動板の静的な変形がなく、より非線形歪みの小さい、及び振動加振力が増大し、より再生音圧の高いスピーカとすることができる効果がある。
【0158】
請求項5記載の発明によれば、振動板を、単一有機材、複数種類の有機材の積層材、有機材の成形材のいずれかで形成された板と、この板に埋め込み或いは貼り合わせられた導電及び非磁性金属板とで構成したので、振動板の剛性を高めることなく、弾性振動を抑制し、混変調歪みの、より小さい再生音とすることができる効果がある。
【0159】
請求項6記載の発明によれば、振動板の板及び非磁性金属板を、複数種類の形状に成形して構成したので、振動板の剛性を高めることなく、弾性振動を抑制し、混変調歪みの、より小さい再生音とすることができる効果がある。
【0160】
請求項7記載の発明によれば、振動板を、0.4mm〜1.6mmの銅板、あるいは0.5mm〜2.0mmのアルミニウム板として構成したので、簡便で堅牢かつ安価なスピーカとすることができる効果がある。
【0161】
請求項8記載の発明によれば、弾性支持手段を、振動板の周辺部を挟み込む高密度グラスウール材あるいはゴム材により構成したので、ダンピング性能とスプリング性能を同一部材で得られ、より簡便安価なスピーカとすることができる効果がある。
【0162】
請求項9記載の発明によれば、弾性支持手段を、振動板の端部の複数箇所に溶接あるいはネジ止め固定した金属製スプリング材で構成したので、より厳しい環境で使用できるスピーカとすることができる効果がある。
【0163】
請求項10記載の発明によれば、振動板の外面あるいは内面にリブ材を設けて構成したので、弾性振動に対する剛性を高め、よって歪みの小さい再生音とすることができる効果がある。
【0164】
請求項11記載の発明によれば、弾性支持手段を、グラスウール材に金属製スプリング材を埋め込んで構成したので、弾性支持手段が適度な機械抵抗を有するので音声の再生帯域が狭くなり、再生音圧を大きくすることができ、これによって設計裕度すなわち、より広い適用範囲のスピーカとすることができる効果がある。
【0165】
請求項12記載の発明によれば、弾性支持手段を、加振コイルと振動板との間に設けて構成したので、強度変形が起こりにくく、変形振動を起こす危険性が小さくなり、これによって振動板の強度変形による振動を抑制し、放射音特性を改善することができる効果がある。
【0166】
請求項13記載の発明によれば、加振コイルを、電気的に直列接続して複数個設けて構成したので、振動板の強制変形や弾性振動を小さくし、非線形歪みの、より小さい再生音とすることができる効果がある。
【0167】
請求項14記載の発明によれば、振動板の外面に、絵柄、文字、記号を書き込む或いは刷り込む、または絵柄、文字、記号を記したシートを張り合わせることによる視覚的情報手段を付して構成したので、スピーカと表示パネルの設置スペース効率を高め、よって携帯電子機器の小型化が計れる効果がある。
【0168】
請求項15記載の発明によれば、振動板の外側に電子的表示機能を有する表示パネルを固着し、上記表示パネルが上記振動板の一部を兼ねるように構成したので、スピーカと表示器の設置スペース効率を高めると共に、AVソースの再生を、より臨場感のあるものとすることができる効果がある。
【0169】
請求項16記載の発明によれば、加振コイルのリード線と枠体に設けられたコネクタとの間に静電容量素子を接続して構成したので、励磁装置の必要とする出力電圧を下げることができ、ケーブルも耐電圧特性も低いもので済むので、より安価なスピーカとすることができる効果がある。
【0170】
請求項17記載の発明によれば、励磁装置に、一定値でバイアスした音声信号の波形瞬時値を変換し、電磁力の空隙依存性を補償する数値変換手段を備えて構成したので、非線形歪みの、より小さい再生音を得ることが出来る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1による電磁音響変換装置の構成図である。
【図2】この発明の実施の形態1による電磁音響変換装置のスピーカ本体の構造断面図である。
【図3】この発明の実施の形態1による電磁音響変換装置の励磁装置の回路構成図である。
【図4】この発明の実施の形態1による電磁音響変換装置の励磁装置の動作を説明するための図である。
【図5】この発明の実施の形態1による電磁音響変換装置の動作を説明するための振動系機械インピーダンスの周波数依存性を示す図である。
【図6】この発明の実施の形態1による電磁音響変換装置の具体的な構成を説明するための断面図である。
【図7】この発明の実施の形態2による電磁音響変換装置のスピーカ本体の構造断面図である。
【図8】この発明の実施の形態3及び実施の形態8による電磁音響変換装置のスピーカ本体の構造断面図である。
【図9】この発明の実施の形態3による電磁音響変換装置の励磁装置の回路構成図である。
【図10】図8に示すスピーカ本体の振動板の構造図である。
【図11】図8に示すスピーカ本体の振動板の他の構造図である。
【図12】この発明の実施の形態4による電磁音響変換装置のスピーカ本体の構造断面図である。
【図13】この発明の実施の形態4による電磁音響変換装置の励磁装置の回路構成図である。
【図14】この発明の実施の形態5による電磁音響変換装置の振動板の構造断面図である。
【図15】この発明の実施の形態6による電磁音響変換装置の振動板と加振コイルの構造断面図である。
【図16】この発明の実施の形態7による電磁音響変換装置の振動板と加振コイルの構造断面図である。
【図17】この発明の実施の形態8による電磁音響変換装置の振動板と加振コイルの構造断面図である。
【図18】この発明の実施の形態9による電磁音響変換装置の弾性支持手段の構造断面図である。
【図19】この発明の実施の形態10による電磁音響変換装置の振動板の外観図である。
【図20】この発明の実施の形態11による電磁音響変換装置における弾性支持手段の構造断面図である。
【図21】この発明の実施の形態12による電磁音響変換装置における弾性支持手段の構造断面図である。
【図22】この発明の実施の形態13による電磁音響変換装置の加振コイルの構造断面図である。
【図23】この発明の実施の形態13による電磁音響変換装置の振動板の静的力による変形の様子を示す図である。
【図24】この発明の実施の形態14による電磁音響変換装置の振動板の外観図である。
【図25】この発明の実施の形態15による電磁音響変換装置のスピーカ本体の構造断面図である。
【図26】この発明の実施の形態16による電磁音響変換装置のスピーカ本体の概念図である。
【図27】この発明の実施の形態17による電磁音響変換装置の励磁装置の回路構成図である。
【図28】電磁音響変換装置の原理に関わる電磁力発生効率の空隙依存性を示す図である。
【図29】従来の電磁音響変換装置の振動板の外観図である。
【図30】従来の電磁音響変換装置の励磁装置の動作を説明するための電流波形図である。
【図31】従来の電磁音響変換装置の励磁装置の動作を説明するための他の電流波形図である。
【符号の説明】
10,10a,10b,10c 振動板、12,12b,12c 非磁性金属板、14 リブ材、15 電気的絶縁性磁性板、18 視覚的情報手段、20 弾性支持手段、20c コイルばね(金属製スプリング材)、20d 板ばね(金属製スプリング材)、20e、20g グラスウール材、30 加振コイル(第1加振コイル)、30a 加振コイル(第3加振コイル)、30b 加振コイル(第4加振コイル)、30c,30d 小型の加振コイル、34 永久磁石手段、35 加振コイル(第2加振コイル)、36 磁極、40 磁極)、50 枠体(第1枠体)、50a 枠体(第2枠体)、50b 枠体(第3枠体)、60 スピーカ本体(第1スピーカ本体)、60a スピーカ本体(第2スピーカ本体)、60b スピーカ本体(第3スピーカ本体)、61 コネクタ、62 励磁ケーブル、63 進相用コンデンサ(静電容量素子)、70 励磁装置(第1励磁装置)、70a 励磁装置(第2励磁装置)、70b 励磁装置(第3励磁装置)、71 交番電圧発生手段、72 変調手段(第1変調手段)、72a変調手段(第2変調手段)、72b 変調手段(第3変調手段)、73 電力増幅手段(第1電力増幅手段)、73a 電力増幅手段(第2電力増幅手段)、76 数値変換手段、200 表示パネル。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
BACKGROUND OF THE
[0002]
[Prior art]
FIG. 29 is a configuration diagram of a conventional electromagnetic acoustic conversion device which is a sounding body using an electromagnetic force disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-9797. 29, A is a speaker body, B is an exciting circuit device, 1 is a frame, 2 is a bottom plate, 3 is an exciting coil, 3a and 3b are lead wires, 4 is a magnetic pole, 5 is a magnetic substrate, and 6 is a permanent magnet. , 7 are diaphragms and 8, 9 are connectors.
[0003]
FIGS. 30 and 31 are diagrams showing waveform examples of the exciting current. In FIG. 30, a1 is a pulsed periodic current waveform having a period T0, a2 is an intermittent signal waveform having a period T1, a3 is a periodic current waveform interrupted at a period a2, and a4 is driven by an exciting current having a3. It is a vibration waveform of a diaphragm. In FIG. 31, b1 is a sinusoidal periodic current waveform of frequency f0, b2 is a modulation signal waveform of frequency f2, and b3 is a modulated periodic current waveform.
[0004]
Next, the operation will be described.
This electromagnetic acoustic conversion device is a speaker provided for sounding a signal such as an alarm clock. The excitation circuit device B supplies power to the
[0005]
The
[0006]
In this conventional technique, an electromagnetic force is directly generated and vibrated on a metal flat plate, so that the whole sounding body can be configured to be thin. Most of the components including the
[0007]
In addition to this example, a moving coil is attached to a cone-shaped diaphragm as an electromagnetic acoustic transducer that reproduces voice and noise signals, and the moving coil is placed in a magnetic field formed by permanent magnets. An electro-dynamic cone loudspeaker, which emits current by amplifying and generating an electric current and vibrating a diaphragm with an electromagnetic force (Faraday force) generated between a magnetic field line of a magnetic field and a coil current, is generally used. .
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Since the conventional electromagnetic acoustic transducer is configured as described above, a single signal sound is generated by utilizing the physical phenomenon of the natural vibration of the
[0009]
Further, in an electromagnetic acoustic transducer that is a cone-type speaker, a separate coil provided at the center of the cone-shaped diaphragm is necessary to obtain an exciting force, and therefore, the length occupying the entire speaker in the vibration direction is required. There was a problem that the size became large.
[0010]
Furthermore, in order to reduce the weight of the diaphragm, it is formed of fibrous material such as paper, or an organic adhesive is used, so that the temperature range that can be used is narrow. For this reason, the allowable range of the thickness is narrow like a portable device, and it is not suitable for a device used in various environments or a place where a thin and environment-resistant property is required such as for an automobile ANC (Active Noise Control). There were challenges.
[0011]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and a function of reproducing voice and noise can be used in a thin structure and under severe environmental conditions such as high temperature, low temperature, high humidity, and high dust. An object is to obtain an electromagnetic acoustic transducer.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, there is provided an electroacoustic transducer that acts between an exciting current flowing through a first excitation coil supplied with an output current of a first exciting device and an eddy current induced in a diaphragm. A vibration exciting force corresponding to the modulation signal is obtained by the force, and a reproduced sound of a sound or a noise signal is generated by the vibration exciting force.
[0013]
According to a second aspect of the invention, there is provided an electromagnetic acoustic conversion device in which a magnetic plate made of an electrically insulating magnetic material is provided on a part of a diaphragm, and permanent magnet means is provided at a position facing the magnetic plate.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, there is provided an electro-acoustic transducer, wherein an electromagnetic repulsion acts between an exciting current flowing through a first exciting coil to which an output current of a first exciting device is supplied and an eddy current induced in a diaphragm. The first vibration exciting force and the DC repulsion force corresponding to the first modulation signal are obtained by the force, and the magnetic attraction acts between the second exciting coil supplied with the output current of the second power amplifying means and the magnetic plate. A second vibration excitation force and a DC attraction force corresponding to the second modulation signal are obtained by the force, the DC repulsion force and the DC attraction force cancel each other, and the first and second vibration excitation forces vibrate as a combined force. By acting on the board, a reproduced sound of a voice or noise signal is generated.
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an electro-acoustic transducer, wherein an electromagnetic current acting between an exciting current flowing through a third exciting coil supplied with an output current of the first power amplifying means and an eddy current induced on the diaphragm is provided. The repulsive force obtains a vibration exciting force and a DC repulsive force according to the first modulation signal, and the output current of the second power amplifying means is induced by the exciting current flowing through the supplied fourth exciting coil and the diaphragm. The vibration repulsion force and the DC repulsion force according to the third modulation signal are obtained by the electromagnetic repulsion force acting between the eddy current and the DC repulsion force. When the vibration excitation force acts on the diaphragm as a resultant force, a reproduced sound of a sound or a noise signal is generated.
[0016]
The electromagnetic acoustic transducer according to the invention according to
[0017]
An electromagnetic acoustic transducer according to a sixth aspect of the present invention is obtained by forming a diaphragm plate and a non-magnetic metal plate into a plurality of types of shapes.
[0018]
In the electromagnetic acoustic transducer according to the seventh aspect of the present invention, the diaphragm is a copper plate of 0.4 mm to 1.6 mm or an aluminum plate of 0.5 mm to 2.0 mm.
[0019]
According to an eighth aspect of the present invention, in the electromagnetic acoustic transducer, the elastic supporting means is made of a high-density glass wool material or a rubber material which sandwiches a peripheral portion of the diaphragm.
[0020]
According to a ninth aspect of the present invention, in the electromagnetic acoustic transducer, the elastic supporting means is formed of a metal spring material which is welded or screwed and fixed to a plurality of positions at the end of the diaphragm.
[0021]
According to a tenth aspect of the invention, there is provided an electromagnetic acoustic conversion device in which a rib member is provided on an outer surface or an inner surface of the diaphragm.
[0022]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the electromagnetic acoustic transducer, the elastic supporting means has a structure in which a metal spring material is embedded in a glass wool material.
[0023]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the electromagnetic acoustic transducer, the elastic supporting means is provided between the excitation coil and the diaphragm.
[0024]
According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided the electromagnetic acoustic transducer, wherein a plurality of excitation coils are provided by being electrically connected in series.
[0025]
The electromagnetic acoustic transducer according to the invention according to
[0026]
In the electromagnetic acoustic transducer according to a fifteenth aspect, a display panel having an electronic display function is fixed to the outside of the diaphragm, and the display panel also serves as a part of the diaphragm.
[0027]
An electromagnetic acoustic transducer according to a sixteenth aspect of the present invention is a device in which a capacitance element is connected between a lead wire of a vibrating coil and a connector provided on a frame.
[0028]
An electromagnetic acoustic transducer according to the invention according to claim 17 is provided with a numerical converter for converting the instantaneous value of the waveform of the audio signal biased at a constant value and compensating for the gap dependency of the electromagnetic force, in the exciting device. is there.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a configuration diagram of an electromagnetic acoustic conversion device according to
[0030]
As shown in FIG. 2 which is a cross-sectional view of the speaker
[0031]
As shown in FIG. 3, which is a circuit configuration diagram of the
[0032]
Next, the operation will be described.
The audio signal v (t) output from the
[0033]
One example of each signal waveform in the modulating means 72 is shown in FIGS. (A) is a waveform of the audio signal v (t), (b) is a bias signal having a constant value α, (c) is a waveform of the alternating voltage signal a (t), and (d) is a modulated output waveform. In (a) to (d), the horizontal axis represents the time axis, and the vertical axis represents the amplitude.
[0034]
The
[0035]
The exciting current supplied to the speaker
[0036]
As will be described in detail later, the electromagnetic repulsion includes three components: a DC repulsion, a vibration excitation corresponding to the modulation signal, and a vibration excitation twice the frequency of the alternating voltage signal. The
[0037]
Here, the basic principle of the electromagnetic acoustic transducer (speaker) of the present invention will be described. Broadly, it is composed of a combination of three element principles.
[0038]
The first is the principle of acoustic emission that, when the
[0039]
The first principle is not different from the sound emission principle of the conventional cone speaker. Here, the gist of the present invention is the principle relating to the second means for generating an electromagnetic excitation force and the third means for modulating the audio signal.
[0040]
These principles will be described using mathematical expressions and graphs.
First, the notation is as follows.
v = v (t): voice or noise electric signal (time waveform signal).
a = Am sin2πfs t: Alternating voltage signal (basically a time-varying sine wave of frequency fs).
s1 = V (t) + α: modulated signal (time-varying waveform), where α is a constant value.
es = Es (T): Modulated alternating voltage signal after power amplification (time waveform) This power supply supplies an exciting current to the
ic ・ N = ic N (t): Product [AT] vector amount of the exciting coil current and the number of turns of the coil.
Hi = Hi (t): magnetic field intensity [AT / m] vector amount generated by the exciting current flowing through the
j = j (t): current density [A / m2] vector amount of the eddy current flowing through the
g: The length [m] of the gap existing between the
δ: skin depth (penetration depth of magnetic field lines: depth at which surface magnetic field attenuates to 1 / e) [m].
F = F (t): electromagnetic force [N].
fs : The frequency of the alternating voltage signal.
μ0 : Permeability of air (4π × 10-7).
[0041]
The output of the power amplifying means 73 is given by
es = Β · s1 ・ Am sin2πfs It is represented by t.
This output is supplied to the
This coil current is expressed as i when the number of turns of the coil is n.c Generates n magnetomotive forces. In an electromagnetic field having a magnetomotive force, various physical specifications are related and determined by the maxwell electromagnetic field equation. Here, the electromagnetic force acting on the surface of the
[0042]
F = ∫Σ {(Hs ・ N) Hs -(1/2) · Hs 2・ N} da ・ ・ ・ (1)
[0043]
Here, Σ indicates the entire area on the surface of the
[0044]
The first term on the right side of the above equation (1) is a component of the suction force. The normal component of the magnetic field strength is small because it is weakened by the counter magnetic field due to the eddy current J. The second term is a component of the repulsive force. The second term is a dominant component because it is a normal component of the square of the magnetic field strength (vector product).
[0045]
Therefore, the total of the electromagnetic force is a repulsive electromagnetic force acting in a direction to move the
[0046]
Expression (1) indicates that the magnitude of the electromagnetic force is proportional to the square of the magnitude of the magnetic field strength when the system (electromagnetic field distribution) is the same. Therefore, since the magnetic field strength is proportional to the magnetomotive force, the proportionality coefficient is represented by k.
[0047]
It becomes.
Where kt = Kβn2 Am 2/ Zc2
[0048]
Where S1 Is a form in which a constant value is added as a bias to the time-varying signal of the audio waveform,
[0049]
S1 = Α + V (t) (2)
[0050]
So
F = kt ・ (Α2 + 2αV (t) + V2 ) (1/2) (1-cos4πf)s t)
It becomes.
[0051]
Here, if the bias α is made considerably larger (10 times or more) than the size of the audio waveform, the above equation can be approximated as the following equation (3).
[0052]
[0053]
In this equation (3), the first term is a DC repulsive force component, the second term is a vibrating force component based on the sound waveform v (t), and the third and fourth terms are vibrational vibrating force components at a frequency of 2 fs [Hz]. It is.
Next, assuming that the mass of the moving part in the vibration system formed by the diaphragm and the elastic support means is M, the spring constant is κ, and the mechanical resistance is r, the mechanical impedance Zm Is the angular velocity ω (= 2πf), Zm = JωM + K / jω + R. here
[0054]
ωM = K / ω
Resonance frequency f0 The mass of the
[0055]
The frequency f of the alternating voltages To f0 If the frequency is selected to be higher than, for example, 5 kHz to 50 kHz, the vibration due to the vibration excitation force in the third and fourth terms of the expression (5) is suppressed to about -30 dB or less due to the inertial resistance of the vibration system.
[0056]
FIG. 5 is shown for better understanding of this. In this figure, the vibration frequency f is plotted on the horizontal axis for one example of the vibration system mechanical impedance Zm of the
[0057]
The impedance (Z) with respect to the exciting force based on the alternating voltage signal a (t)2fs ) Is the impedance Z of the sound reproduction band.s It can be seen that it is very large compared to. Therefore, the
[0058]
To reiterate, there are three basic features of the present invention. The first is the repulsion that is dominant in the case of non-magnetic and conductive materials among the components of the electromagnetic force represented by the formula (1). Use the power. Second, the audio signal v (t) biased by the constant value α as shown in Expression (3) is used as a modulation signal of the alternating voltage signal a (t). The third is the frequency f of the alternating voltage signal a (t) with respect to the diaphragm vibration resonance frequency.s Is sufficiently large to suppress the vibration radiation sound due to the alternating electromagnetic force as much as possible.
[0059]
Here, the materials, sizes, and the like of the components of the electromagnetic acoustic transducer will be specifically described with reference to FIG. However, it is assumed that the audio reproduction frequency band is 100 to 7 kHz.
[0060]
An aluminum metal disk is used for the
[0061]
The thickness required for the
Therefore, when the telephone voice band is used as the reproduction band, the thickness of the diaphragm is desirably 0.5 to 2 mm. If a thinner plate is used, the electromagnetic force decreases, but Joule heat increases. In the case of a copper plate, since the specific resistance ρ is about 40% lower than that of aluminum, the optimum plate thickness is 0.4 to 1.6 mm.
[0062]
The elastic supporting means 20 has a structure in which the periphery of the
[0063]
Next, the
[0064]
Since the
[0065]
The
[0066]
The selection of the frequency of the alternating voltage signal a (t) is the most important issue for the loudspeaker of the present invention. This is because the magnitude of the electromagnetic force, the magnitude of the vibration excitation force caused thereby, the electromagnetic force generation efficiency, the electrical impedance of the
[0067]
If 20 kHz is selected as the frequency of the alternating voltage signal a (t), only this signal a (t) results in an electromagnetic excitation force of 40 kHz. This 40 kHz is typically well above the threshold frequency at which humans can hear. In addition, due to the inertial force due to the mass of the
[0068]
If the frequency is set too high, the Joule loss of the
[0069]
A power transistor having a short turn-off time is used as the
[0070]
By using the above-mentioned materials and sizes, the
[0071]
As described above, according to the first embodiment, the conductive and non-magnetic vibrating
[0072]
FIG. 7 is a structural sectional view of a speaker main body in an electromagnetic acoustic conversion device according to
[0073]
Next, the operation will be described.
A DC repulsive force corresponding to the first term of the equation (3) acts on the
[0074]
The second embodiment is intended to improve this point, and the
[0075]
By adjusting in this way, during operation as a speaker, the suction force and the repulsion force are opposed to the
[0076]
When the alternating magnetic flux generated by the
[0077]
As described above, according to the second embodiment, the force in the direction of the vibrating
[0078]
FIG. 8 is a structural sectional view of a speaker main body in an electromagnetic acoustic conversion device according to
[0079]
FIG. 9 is a circuit configuration diagram of an excitation device in the electromagnetic acoustic conversion device according to
[0080]
Next, the operation will be described.
In the first and second embodiments, only the repulsive electromagnetic force is used as the excitation force of the
[0081]
After the audio signal v (t) is biased at a constant value by the adding means 74, the alternating voltage signal a (t) is modulated by the multiplying means 75 to supply an exciting current to the
[0082]
That is, the phase of the audio signal v (t) is inverted (the sign is inverted in the case of a digital value) by the inversion means 79, the bias value α is added to the inverted audio signal -v (t) by the addition means 80, and the multiplication means is further added. After scaling by the predetermined value C by 77, the alternating voltage signal a (t) is modulated, and after being amplified by the power amplifier 73a, its output er (T) is supplied to a vibrating
[0083]
In the electromagnetic force expression of the equation (1), the added excitation system is a magnetic material surface, and therefore has a large magnetic permeability μ and a large number of normal components.s ・ N) Hs Is overwhelmingly larger than the second term.
[0084]
Therefore, the electromagnetic force acting on the
[0085]
Therefore, the current i supplied to the
Here, γ is the amplification factor of the amplification means, C is the multiplication coefficient of the multiplication means 77,
s2 = −v (t) + α
Then the attractive electromagnetic force Fr Is proportional to kr Then
Where s2 = Α-V (t),
[0086]
It becomes.
[0087]
Also according to this equation (4), the electromagnetic force is a DC attraction force component, an exciting force component based on a voice waveform,s It can be seen that the vibration excitation force component is twice as large.
[0088]
Here, k in equation (3)t With reference to ktr= Kt, the resultant of the electromagnetic force applied to the
Then, the DC repulsive force and the attraction force cancel each other and disappear, and only the vibration excitation force of the audio signal component and the alternating electromagnetic force of the frequency component twice as high as the alternating voltage signal modulated by the audio waveform are obtained.
[0089]
As already described, the influence of the inertial mass of the
[0090]
However, the exciting current flowing through the
[0091]
In consideration of this, the second term of the equation (5) must be corrected, but this is not a problem on the principle of the present invention.
[0092]
Further, according to the third embodiment, the constraint on the level of V (t) is only | V (t) | ≦ α, and can be extremely up to half the amplitude of alternating voltage signal a (t). . Therefore, the exciting force generation efficiency is significantly improved as compared with the configuration of the first embodiment.
[0093]
However, in the third embodiment, since the locations where the repulsive force and the suction force act are different, if the rigidity of the
[0094]
As shown in FIG. 11, a
[0095]
As described above, according to the third embodiment, the output current of the power amplifying means 73 is supplied to the
[0096]
Embodiment 4 FIG.
FIG. 12 is a structural sectional view of a speaker main body in an electromagnetic acoustic conversion device according to Embodiment 4 of the present invention. In FIG. 12, portions corresponding to the respective portions in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals. In FIG. 12A, reference numerals 30a and 30b denote excitation coils (third and fourth excitation coils) opposed to each other with a gap of the same length with respect to the
[0097]
FIG. 13 is a circuit configuration diagram of an excitation device in an electromagnetic acoustic conversion device according to Embodiment 4 of the present invention. In FIG. 13, 70b is an exciting device (third exciting device), 71 is an alternating voltage signal generating means, and 72b is a modulating means (third modulating means).
[0098]
Next, the operation will be described.
The feature of the fourth embodiment resides in a modulating means 72b. The modulating means 72b inputs the audio signal v (t) to two circuits. On the other hand, the constant value α is added by the adding means 74, the alternating voltage signal a (t) is multiplied (modulated) by the multiplying
[0099]
On the other hand, the phase is inverted by a phase inversion means 79 (the sign is inverted in the case of a digital numerical signal), added to a constant value α by an addition means 80, and multiplied by an alternating voltage signal a (t) by a multiplication means 78 (modulation). Then, this modulated signal (third modulated signal) is output to the power amplifying means 73a.
[0100]
The power amplifying means 73 and 73a supply an exciting current as an output to the vibrating coils 30a and 30b of the
[0101]
The electromagnetic repulsion generated by the excitation coil 30a is
Fa = Kt ・ (Α2 + 2αV (t) + V2 ) (1/2) (1-cos4πf)s t)
On the other hand, the electromagnetic repulsive force generated by the exciting coil 30b takes into account that the direction of the force is opposite to the
Fb = -Kt ・ (Α2 -2αV (t) + V2 ) (1/2) (1-cos4πf)s t)
It is.
[0102]
Therefore, the excitation force received by
[0103]
This expression is the same expression as Expression (5) representing the combined power in the embodiment of the preceding paragraph. Therefore, there is no DC electromagnetic force. Further, according to the fourth embodiment, the gaps on both sides of which the gap dependency of the electromagnetic force complements the non-linear characteristics and approximates the linear characteristics, so that the nonlinear distortion of the radiated sound is small.
[0104]
In addition, since the positions of the force points on the
[0105]
Further, there is a disadvantage that the excitation coils 30a and 30b are also required on the sound radiation surface side. However, in addition to the advantages such as the design likelihood of the
[0106]
As described above, according to the fourth embodiment, the output current of the first power amplifying means 73 is supplied to the first exciting coil 30a, and the exciting current flowing through the exciting coil 30a and the induced current in the
[0107]
FIG. 14 is a structural sectional view of a diaphragm in an electromagnetic acoustic transducer according to
[0108]
Next, the operation will be described.
A ring current corresponding to the eddy current flowing through the
[0109]
As described above, according to the fifth embodiment, the
[0110]
FIG. 15 is a structural diagram of a diaphragm and a vibrating coil in an electromagnetic acoustic transducer according to
[0111]
Next, the operation will be described.
By making the
[0112]
As described above, according to the sixth embodiment, the
[0113]
FIG. 16 is a structural diagram of the diaphragm and the exciting coil in the electromagnetic acoustic transducer according to
[0114]
Next, the operation will be described.
By making the
[0115]
As described above, according to the seventh embodiment, the
[0116]
FIG. 8 is a sectional view of a speaker main body in an electromagnetic acoustic transducer according to an eighth embodiment of the present invention. In this figure,
[0117]
FIG. 17 is a circuit configuration diagram of an exciting device in an electromagnetic acoustic transducer according to
[0118]
Next, the operation will be described.
In the
[0119]
The magnitude of the attraction force is determined by the exciting current, that is, it corresponds to the bias value α of the modulation signal. Since the DC repulsive force acting on the
[0120]
As described above, according to the eighth embodiment, the
[0121]
Further, since the suction force and the DC repulsion force are offset in the
[0122]
Embodiment 9 FIG.
FIG. 18 is a structural sectional view of the elastic support means in the electromagnetic acoustic transducer according to Embodiment 9 of the present invention. 18A shows a case of a coil spring, and FIG. 18B shows a case of a leaf spring. In FIG. 18,
[0123]
Next, the operation will be described.
Since the elastic supporting means 20c and 20d and the
[0124]
As described above, according to the ninth embodiment, the elastic support means 20c and 20d are formed of the metal spring material which is welded or screwed and fixed at a plurality of positions at the end of the
[0125]
FIG. 19 is a structural sectional view of a diaphragm in an electromagnetic acoustic conversion device according to
[0126]
Next, the operation will be described.
Since the
[0127]
As described above, according to the tenth embodiment, the
[0128]
FIG. 20 is a structural sectional view of the elastic support means in the electromagnetic acoustic transducer according to
[0129]
Next, the operation will be described.
Since the elastic supporting means 20 uses the elastic supporting means 20 having an appropriate spring property by the
[0130]
As described above, according to the thirteenth embodiment, the elastic support means 20 has a structure in which the
[0131]
FIG. 21 is a structural sectional view of the elastic support means in the electromagnetic acoustic transducer according to
[0132]
Next, the operation will be described.
The requirement of the twelfth embodiment is that the
[0133]
As described above, according to the twelfth embodiment, since the
[0134]
Embodiment 13 FIG.
FIG. 22 is a structural sectional view of a vibrating coil in an electromagnetic acoustic transducer according to Embodiment 13 of the present invention. In the figure, 30c and 30d are small vibrating coils, and 40a and 40b are vibrating
[0135]
Next, the operation will be described.
In the first to twelfth embodiments, the number of the vibrating
[0136]
As shown in FIG. 22, when a plurality of excitation coils 30 c and 30 d are used, these excitation coils 30 c and 30 d are electrically connected in series and receive an excitation current supplied from the
[0137]
As described above, according to the thirteenth embodiment, since a plurality of
[0138]
FIG. 24 is an external view of a diaphragm in an electromagnetic acoustic transducer according to
[0139]
Next, the operation will be described.
By attaching the visual information means 18 to the
[0140]
As described above, according to the fourteenth embodiment, the visual information means 18 is provided on the outer surface of the
[0141]
FIG. 25 is a structural sectional view of a speaker main body of an electromagnetic acoustic transducer according to
[0142]
Next, the operation will be described.
In the fifteenth embodiment, the vibration exciting force is generated by the
[0143]
Therefore, while watching the sentence characters of the story displayed on the
[0144]
As described above, according to the fifteenth embodiment, the
[0145]
FIG. 26 is a conceptual diagram showing a configuration of a speaker body in an electromagnetic acoustic conversion device according to
[0146]
Next, the operation will be described.
In the loudspeaker of the present invention, the electrical impedance of the
[0147]
Therefore, the
[0148]
As a result, the impedance as viewed from the amplifier side is reduced to about half, and accordingly, the output voltage can be reduced to about half. In addition, the influence on the exciting coil current (and the effect on the reproduced sound quality) due to the change in the reactance such as the change in the reactance of the coil due to the vibration of the
[0149]
As described above, according to the sixteenth embodiment, the phase-advancing
[0150]
Embodiment 17 FIG.
FIG. 27 is a circuit diagram of an exciting device of an electromagnetic acoustic transducer according to Embodiment 17 of the present invention. In the drawing, reference numeral 76 denotes a circuit between the adding means 74 and the multiplying means 75 of the
[0151]
Next, the operation will be described.
The electromagnetic repulsion depends on the gap length between the
[0152]
Therefore, the seventeenth embodiment provides a numerical value conversion means for solving the problem. The numerical value conversion means 76 receives the audio signal S1 biased by the numerical value α, and outputs corrected numerical data S1a. Here, the numerical value conversion means 76, that is, the contents of the numerical value conversion table have contents for compensating for the air gap characteristics, and after all the design conditions are determined, a specific converted value is obtained.
[0153]
As described above, according to the seventeenth embodiment, the
[0154]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, the electromagnetic force acting between the exciting current flowing through the first exciting coil supplied with the output current of the first exciting device and the eddy current induced on the diaphragm. Vibration exciting force according to the modulation signal is obtained by the repulsive force, and a sound or noise signal reproduction sound is generated by this vibration exciting force. There is an effect that a thin speaker can be produced.
[0155]
According to the second aspect of the present invention, a magnetic plate made of an electrically insulating magnetic material is provided on a part of the diaphragm and a permanent magnet means is provided at a position facing the magnetic plate. Due to the attraction force, the DC electromagnetic repulsive force generated by the excitation coil can be reduced, so that the displacement of the elastic support means is suppressed, and a reproduced sound with less nonlinear distortion can be obtained.
[0156]
According to the third aspect of the present invention, the direct current repulsive force and the direct current attractive force cancel each other, and the first and second vibration exciting forces act on the diaphragm as a resultant force, thereby reproducing a sound or noise signal. Since it is configured to generate sound, there is no static displacement of the elastic support means, less non-linear distortion, and vibration excitation force is increased, so that a speaker having a higher reproduction sound pressure can be obtained. is there.
[0157]
According to the fourth aspect of the present invention, the two DC repulsive forces are offset by the opposite directions of action, and the two vibration exciting forces act on the diaphragm as a resultant force, thereby producing a sound or noise signal. Since it is configured to generate the reproduced sound, there is no static displacement of the elastic support means and no static deformation of the diaphragm, and the nonlinear distortion is small, and the vibration exciting force is increased, and the reproduced sound pressure is reduced. There is an effect that a high speaker can be obtained.
[0158]
According to the invention as set forth in
[0159]
According to the invention of
[0160]
According to the seventh aspect of the present invention, since the diaphragm is formed of a copper plate of 0.4 mm to 1.6 mm or an aluminum plate of 0.5 mm to 2.0 mm, a simple, robust and inexpensive speaker can be provided. There is an effect that can be.
[0161]
According to the eighth aspect of the present invention, since the elastic supporting means is made of a high-density glass wool material or a rubber material which sandwiches the peripheral portion of the diaphragm, the damping performance and the spring performance can be obtained by the same member, which makes it easier and less expensive. There is an effect that the speaker can be used.
[0162]
According to the ninth aspect of the present invention, since the elastic supporting means is formed of a metal spring material welded or screwed and fixed to a plurality of positions at the end of the diaphragm, a speaker which can be used in a more severe environment can be provided. There is an effect that can be done.
[0163]
According to the tenth aspect of the present invention, since the rib is provided on the outer surface or the inner surface of the diaphragm, there is an effect that the rigidity with respect to the elastic vibration can be increased, and the reproduced sound can be reduced in distortion.
[0164]
According to the eleventh aspect of the present invention, since the elastic support means is configured by embedding a metal spring material in glass wool material, the elastic support means has an appropriate mechanical resistance, so that the sound reproduction band is narrowed, The pressure can be increased, which has the effect of allowing a design margin, that is, a speaker having a wider application range.
[0165]
According to the twelfth aspect of the present invention, since the elastic supporting means is provided between the excitation coil and the diaphragm, strength deformation is less likely to occur, and the risk of causing deformation vibration is reduced. Vibration due to strength deformation of the plate is suppressed, and the radiation sound characteristics can be improved.
[0166]
According to the thirteenth aspect of the present invention, since a plurality of excitation coils are electrically connected in series and provided, the forced deformation and elastic vibration of the diaphragm are reduced, and the reproduced sound having less nonlinear distortion is obtained. There is an effect that can be.
[0167]
According to the fourteenth aspect of the present invention, a visual information means by writing or printing a pattern, character, or symbol on the outer surface of the diaphragm or laminating a sheet on which the pattern, character, or symbol is written is attached. Therefore, the installation space efficiency of the speaker and the display panel can be increased, and the size of the portable electronic device can be reduced.
[0168]
According to the invention of
[0169]
According to the sixteenth aspect of the present invention, since the capacitance element is connected between the lead wire of the excitation coil and the connector provided on the frame, the output voltage required by the excitation device is reduced. Since the cable and the withstand voltage characteristics are low, there is an effect that a cheaper speaker can be obtained.
[0170]
According to the seventeenth aspect of the present invention, since the exciting device is provided with numerical value conversion means for converting the instantaneous value of the waveform of the audio signal biased at a constant value and compensating for the gap dependency of the electromagnetic force, the nonlinear distortion Therefore, there is an effect that a smaller reproduced sound can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an electromagnetic acoustic conversion device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a structural sectional view of a speaker body of the electromagnetic acoustic conversion device according to
FIG. 3 is a circuit configuration diagram of an excitation device of the electromagnetic acoustic conversion device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a diagram for explaining an operation of the excitation device of the electromagnetic acoustic conversion device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating the frequency dependence of the vibration system mechanical impedance for describing the operation of the electromagnetic acoustic transducer according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a specific configuration of the electromagnetic acoustic conversion device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a structural sectional view of a speaker main body of the electromagnetic acoustic conversion device according to
FIG. 8 is a structural sectional view of a speaker body of an electromagnetic acoustic transducer according to
FIG. 9 is a circuit configuration diagram of an excitation device of the electromagnetic acoustic transducer according to
FIG. 10 is a structural view of a diaphragm of the speaker body shown in FIG.
11 is another structural view of the diaphragm of the speaker main body shown in FIG. 8;
FIG. 12 is a structural sectional view of a speaker main body of an electromagnetic acoustic conversion device according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 13 is a circuit configuration diagram of an excitation device of an electromagnetic acoustic conversion device according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 14 is a structural sectional view of a diaphragm of an electromagnetic acoustic transducer according to
FIG. 15 is a structural sectional view of a diaphragm and a vibrating coil of an electromagnetic acoustic transducer according to
FIG. 16 is a structural sectional view of a diaphragm and an exciting coil of an electromagnetic acoustic transducer according to
FIG. 17 is a structural sectional view of a diaphragm and a vibrating coil of an electromagnetic acoustic transducer according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a structural sectional view of an elastic supporting means of the electromagnetic acoustic transducer according to Embodiment 9 of the present invention.
FIG. 19 is an external view of a diaphragm of an electromagnetic acoustic conversion device according to
FIG. 20 is a structural sectional view of an elastic supporting means in an electromagnetic acoustic transducer according to
FIG. 21 is a structural sectional view of an elastic supporting means in an electromagnetic acoustic transducer according to
FIG. 22 is a structural sectional view of a vibrating coil of an electromagnetic acoustic transducer according to Embodiment 13 of the present invention;
FIG. 23 is a diagram showing a state of deformation of a diaphragm of an electromagnetic acoustic conversion device according to Embodiment 13 of the present invention due to static force.
FIG. 24 is an external view of a diaphragm of an electromagnetic acoustic transducer according to
FIG. 25 is a structural sectional view of a speaker main body of the electromagnetic acoustic transducer according to
FIG. 26 is a conceptual diagram of a speaker main body of an electromagnetic acoustic conversion device according to
FIG. 27 is a circuit configuration diagram of an excitation device of an electromagnetic acoustic transducer according to Embodiment 17 of the present invention;
FIG. 28 is a diagram showing the gap dependence of the electromagnetic force generation efficiency related to the principle of the electromagnetic acoustic transducer.
FIG. 29 is an external view of a diaphragm of a conventional electromagnetic acoustic transducer.
FIG. 30 is a current waveform diagram for explaining the operation of the excitation device of the conventional electromagnetic acoustic conversion device.
FIG. 31 is another current waveform diagram for explaining the operation of the exciting device of the conventional electromagnetic acoustic transducer.
[Explanation of symbols]
10, 10a, 10b, 10c diaphragm, 12, 12b, 12c non-magnetic metal plate, 14 rib material, 15 electrically insulating magnetic plate, 18 visual information means, 20 elastic support means, 20c coil spring (metal spring) Material), 20d leaf spring (metal spring material), 20e, 20g glass wool material, 30 excitation coil (first excitation coil), 30a excitation coil (third excitation coil), 30b excitation coil (fourth excitation coil) Excitation coil), 30c, 30d small excitation coil, 34 permanent magnet means, 35 excitation coil (second excitation coil), 36 magnetic poles, 40 magnetic poles, 50 frame (first frame), 50a frame Body (second frame), 50b frame (third frame), 60 speaker body (first speaker body), 60a speaker body (second speaker body), 60b speaker body (third frame) Speaker body, 61 connector, 62 excitation cable, 63 phase-advancing capacitor (capacitance element), 70 excitation device (first excitation device), 70a excitation device (second excitation device), 70b excitation device (third excitation device) Device), 71 alternating voltage generating means, 72 modulating means (first modulating means), 72a modulating means (second modulating means), 72b modulating means (third modulating means), 73 power amplifying means (first power amplifying means) 73a, power amplifying means (second power amplifying means), 76 numerical value converting means, 200 display panel.
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