JP4834004B2 - 動的コンバータのための膜 - Google Patents

Description

本発明は、動的なコンバータ、特にヘッドフォン、小型ラウドスピーカーなどのための膜に関し、膜は、平面図において、円形状ではなく、少なくとも４つの縁によって範囲が定められているベース面を有しており、膜は、いわゆるドームと呼ばれる中央の円形のエリアを示し、そのドームの縁には、コイルが装着されるか、または装着され得るかであり、平面図において、形状が概ね細長い長方形である、隆起と呼ばれる外側のエリア、および隆起のドーム側の縁からドームの外側の縁への遷移を覆う中間のエリアを有する。

多くの場合に、そのような音響コンバータ（以下では単にコンバータと称する）と、中間の面またはコンバータ面と呼ばれる膜の面とが関連付けられ得る。この膜の面は、例えば、膜の最も外側の縁（外側の隆起の外側の縁）によって、またはコイルがドームに対して隣接する（膜に対して平行な）面によって定義され得る。ドームにフィットするように適用されるコイルの中間の面、ドームの下側の縁、および他のコンポーネント構造は、膜の面に平行に伸び、かつ膜を規定するためにも使用され得る。なぜならば本発明の目的として、膜の面の位置付けのみが重要であるからである。

膜の中央の円形のエリアはまた、ドーム、ノウル、キャップ、膨れ、円形の縁などと呼ばれ得る。当業者の間では、ラウドスピーカーの膜に接続する縁はまた、サラウンド（ｓｕｒｒｏｕｎｄ）とも呼ばれる。

特許文献１（米国特許出願第１０／９３９，９２３号に対応し、両出願の内容は、本出願において参照によって援用される）において、そのようなコンバータおよびそのような膜が記載され、それらは本質的には充分なものとして示されてきた。この公知の膜において、振動に関する悪影響を避ける一方で、任意の音響的なショートを防止するために、コーナー（ｃｏｒｎｅｒ）のエリアが特別な設計を有する。
欧州特許出願公開第１５１５５８２号明細書

コーナーが隆起の間で覆われていない（露出した）正方形の膜の幾何学的な形態は、最先端の技術の別の部分を構成する。この膜の幾何学的な形態は、例えば、ＡＫＧ Ｋ１０００ヘッドフォンにおいて使用される。この膜は、低い音響インピーダンスを有する構成状態を可能にし、かつこの膜は、米国特許出願第１０／９３９，９２３号に従った膜の場合よりも、よりシンプルな膜の製造を可能にする。図４は、このヘッドフォンにおいて使用される膜を示す。正方形の配置における４つの隆起３はドーム４を取り囲み、ドームの外側の縁６は、隆起３の内側の縁８とほぼ接触している。これらの縁の間のエリアは、中間エリア５によって覆われる。コーナー９は開いており、このことは、膜で覆われていないことを意味するが、フレーム１３は、突起部１４を有し、突起部１４は、膜１の可能である最大限の変位の間でさえ、膜の縁が突起から離れないような、面に対する垂直方向の高さなので、膜の面の周辺だけでなく、先端においても、コーナー９をほぼ満たす。この対策の結果、任意の音響的なショートの（完璧ではないが）効果的な防止が達成される。さらに、膜１の可能である最大限の変位の間でさえ、フレーム１３の自由縁と膜１の自由縁との間の接触が生じないことが重要である。当業者にとって、必要な間隙の幾何学的な形態を計算することは、困難ではない。

特公平１１−２０５ ８９５ Ａ号公報は、大きな半径を有する円形のコーナーを有する多角形の外周を有する膜を有するラウドスピーカーを開示する。曲率半径が非常に大きいので、周囲の長さの約５０％が湾曲であり、約５０％が直線であり、実際、多角形よりも、小さな平坦な領域を有する円形に見えやすい。半径方向から見ると、この多角形の周囲は、コイルが設置され得る膜の中央エリアにおいて、円形の周囲へと漸次的に変化する。コイルの直径は、外周の直径の約１７％にすぎず、コンバータエリアの約３％にすぎない。

この公知の膜の外側が、円形の外周を有する丸い縁（ｒｏｌｌ ｅｄｇｅ）に接続（接着）されることが重要である。それ故に、膜全体は、これらのエリアの間において、外側から中央へと、漸次的に変化する円形状（多角形に湾曲する）のスキームを有する。このスキームの結果として、膜の「古典的な」ドーナツ型の形状からの逸脱はわずかであり、コーナーおよび中間エリアの形状などを考える必要がない。

さらに、丸い縁は、（半径方向の断面から見ると）膜の円形の外周から膜の多角形に湾曲された外周への変化を覆う非常に小さい半径を有する隆起を形成する。円形状からの逸脱が小さいので、隆起は、特別に対策することなく、これらの逸脱に従い得る。

完全な多角形の外周を有するコンバータは、Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａの特公昭５９−９４９９５Ａ号公報において開示される。幅に対して非常に大きい長さを有する長方形は、コイルを有する中央のドーム、および長方形の長手側に平行な中間の面に伸びる２つの高架のリブを有する膜によって覆われる。小さい隆起が外周上に提供され、小さい曲率半径を有するコーナーの領域が付随するように見え、膜を少なくともこれらのコーナーのエリアにおいて非常に曲りにくくする。ドームのエリアは、コンバータ全体のサイズと比べると非常に小さく、ドームのエリアは、コンバータエリアの約７％をカバーするのみに過ぎない。

膜全体のサイズに対するドームのエリアのサイズの比率に関しては、より大きい比率が、振動の間の膜の幾何学的な形態の安定性によく、ひずみ要素（多くの場合、調和ひずみ（ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）と呼ばれる）にとってもよいと言わなければならない。これに関する理由は、特に（以下で詳細に述べられる）固有振動数の下での低い周波数に関して、空気のかなりの量の移動が、大きな音圧に到達するために必要であるということに存する。

大きな比率のさらなる結果は、（多くの場合に可聴圧と呼ばれる）同じ音圧を生成するためのドームの動きの高さ（振動の振幅）が小さい比率に対する高さよりも非常に小さくなることである。この小さな振幅のために、膜の変形および膜の非線形性の特徴が、より大きな振幅を必要とする小さい比率を使用する膜の場合よりも、かなり小さくなる。

小さい比率では、膜のさらに円錐状の形状を使用することにより、膜の非線形性の特性を低減し得るが、このことが、上記で定義される膜の面に対して垂直方向に測定すると膜の高さが高くなる結果をもたらし、かつその結果として、コンバータをより高くし、そのことは、特に、小さいコンバータを使用する場合と反対である。

コンバータ、特に、円形から逸脱する外周を有するが、効果的な転換特性を有する小さいコンバータを開示することが、本発明の目的である。

概して、以下の設計は、動的コンバータの膜を介して提供され得る。所定のサイズおよび高さの音圧の場合に、小型ラウドスピーカーだけてなく、ヘッドフォンのための動的コンバータは、膜にかなりのひずみをもたらす。結果として、膜は、幾何学的に非線形性のひずみのエリアにおいて動作され、音響的なひずみは、例えば、音の転換の間の調和ひずみの形態で生成される。このことは、音圧と電気信号との間の関係が、もはや線形または線形に近くないことを意味する。結果としてのひずみは、主に２つの原因から起こる：
−エアギャップの中の磁界の非線形性の形状
−機械的な膜のコンプライアンスの非線形性の形状。

以下で、ひずみの第２の原因が考慮される。すなわち、非線形性の膜のコンプライアンスである。

ユーザー好みの膜の振動の形状は、いわゆるピストンモード（ｐｉｓｔｏｎ ｍｏｄｅ）であり、中心近くの部分における膜が、縁のエリアで変形した場合に、硬いピストンと同じように振動する。振動の形状と関連する共振周波数としてまた公知の固有振動数ｆ１は、伝送距離の低い境界周波数であり、ｆ１は、材料、膜の個々の部分における膜の厚み、および膜の形状を適切に選択することによって決定され得る。特に、オーストリア特許出願第４０３ ７５１Ｂ号（米国特許第６，１８５，８０９号が対応し、両出願の内容は本出願において参照により援用される）において記載される方法によって、局所的な材料の厚みおよびｆ１に対する影響を制御することを達成することが可能である。機械的なバネ質量系のバネ作用が、隆起の弾性の変形を介して生成され得る。

独国特許第１０３ ２２ ６９２ Ａ号（米国特許第２００３２１９１４１ Ａ号が対応し、両出願の内容は本明細書において参照により援用される）において振動モードの改善および音響障害の低減がまた、軸の断面において通常の球面状から逸脱した形状を有するドームを使用して可能になる。

本発明によって解決されるべき課題は、上記の方法を使用して、上記のタイプの多角形、特に長方形の膜の製造に関し、局所的に適用される膜の厚みおよび所望のバネ特性を達成するために、膜の熱可塑性の形成（例えば深絞り）の間に、お金のかかる処理が要求されることである。さらに、本発明は、お金のかかる方法が使用される場合に、音響特性の更なる改善を可能にする膜を提供し得る。

本発明に従って、この課題は、互いに対して対称的な少なくとも２つの隆起が、平面図において、中間の膜の面の上に湾曲されるという事実によって解決される。結果として、膜の一定の厚みが、コイルと外側の縁との間のエリアにおいて、膜の均一な変形を可能にし、複雑な深絞り処理が省略され得る。この均一な変形の結果として、膜の戻る力が線形化され、その力は、偏向力に対して概ね比例する。

図１は、カバーされないコーナー領域および隆起（ｂｕｌｇｅ）の識別をより容易にするためのグリッド付きの本発明による膜１の実施形態の透視図での表示である。二次ラインに干渉しない三つの主要な図における図２は、輪郭をより良く示すように意図されている。

図に描かれている本質的に長方形の膜１は、膜の４つの縁７に沿って、４つの隆起のような縁のエリア２、３を表しており、隆起の高さは、０（フラット隆起）と隆起幅の半分（半円形の隆起断面）との間であり得る。従って、隆起は、以下に述べられるより詳細な説明を無視すると、一般的に実質的に円筒形を形成する。細長い範囲の隆起に垂直な隆起の断面は、必ずしも円の弧の部分の形状である必要はなく、むしろ、例えば、らせんまたは楕円の形状であり得る。隆起はまた、描かれているように、膜面１０に対してドームと同じ方向に湾曲されている必要はない。しかしながら、これは、通常、スペースを節約することにおいて有利である。

隆起２、３は、膜の上下の移動中、ばね質量系の機械式スプリングとして機能し、この場合、コイル＋膜（コイルは図示されていない）は、質量を構成する。以下に、ばね質量系の硬度を決定するコンバータまたは膜の部品のみが考慮される。

平面面において、膜は、おおよそ丸いドーム４を提示し、膜はまた、円形または楕円形のベース断面、特別の場合では多角形のベース断面を提示し得る。円形のコイルの場合においては、ドームは、必ずしも球状のカロット（ｃａｌｏｔｔｅ）である必要はなく、ドームは、球状のカロットの近似の形状にすぎなくあり得、または、ドームは、例えば、上記の独国特許発明第１０３２２６９２Ａ号などのようにいくつかのセクションにおいて異なる形状を提示し得る。各場合において、いわゆる中間領域５は、ドームと少なくとも二つのまっすぐな隆起３との間に形成される。ドームの円周上またはドーム４の周囲の上において、ボイスコイル（図示されていない）は、一般に、円筒形（必ずしも円形／円筒形ではない）のショルダ、または多角形の突起または同様な部品に取り付けられ、この場合、力の移動はこのボイススコイルを介して行なわれる。アセンブリのタイプおよび適切なアセンブリロケーションの設計は本発明の一部ではなく、従って、それらは本明細書では追加の説明を必要としない。

本発明によれば、膜は、（描かれた、実質的に長方形の膜形状において）少なくとも二つの対向する隆起が、本実施形態例における、膜の中間面において、示されているドーム４に向かって凹形に湾曲するように組み立てられ、それによって、隆起は、もはや円筒形をしていなく、むしろ一般（または特別な場合においては、古典的な）ドーナツ形（リングまたはタイヤ）の形状を有する。湾曲した外側縁７と膜の通常はまっすぐな小さな取り付け面（図示されていない）との間のガセット板は、湾曲した隆起２の各々において、図示されていない膜の部品によってブリッジされる。

ドームに対してある程度直接に隣接し、湾曲した設計を有する隆起２を使用することが好適であるが、特に凸面設計において、他の（長方形で、より短い）隆起を使用することもまた可能であり、または、それら４つすべて湾曲させることも可能である。非円形湾曲（ｎｏｎｃｉｒｃｕｌａｒ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ）の場合に振動円の半径によって置き換えられる、隆起の中間における曲率半径Ｒは、好適には、当該の隆起２の長さＬの半分と長さＬ（またはＳ）の２０倍、好適にはこの長さの約５倍との間の範囲にある。すなわち、
０．５Ｌ≦Ｒ≦２０Ｌ
である。

図３は、平面図において、正六角形の膜（シンメトリー１２の３つの面を有する）を示す。膜は、３つの湾曲した隆起２、３つのまっすぐな隆起３および中央ドーム４を有する。コーナー９は、カバーされていない。膜のフレーム（図示されていないが、図５におけるものに類似している）は、対応する形状を有する。膜の形状の縁は、膜に接触することなく、できるだけ良好に「膜を密閉する」ために、膜の縁の近傍に設けられる。膜のフレームの開口部を密閉する膜に達するために、上記の欧州特許第１ ５１５ ５８２Ａ号（これは米国特許出願公開第１０／９３９，９２３号に対応する）の構造を使用することは、もちろん可能である。シンメトリー１２の選択された面から独立して、３つの湾曲した隆起２のうちの２つは、互いにシンメトリーであり、第３の隆起はそれ自体シンメトリーである。膜１は、隆起２、３の各々の外周上に、膜を多角形フレーム（図示されていない）に接続する小さな平坦な境界領域１１を有する。

縁の領域として、シンメトリーな少なくとも一つの面のみならず、例えば、非正六角形、八角形などの他の多角形を使用することも可能である。しかしながら、好適な基本形状は、正多角形の形状である。正八角形において、例えば、６つの隆起のうちの３つは湾曲するように設計され得、まっすぐな３つの隆起と互い違いの配置にし得るか、または２つ（それぞれ４つ）の反対側の隆起（ペアである）は、湾曲するように設計され、他方はまっすぐに設計され得る。このシンメトリーは、所望のピストンモードの動体を達成する唯一の方法であるので、膜上のシンメトリーな力の伝達のために必要である。

しかしながら、特別な構造状況に関して、ひし形などの基本形不規則多角形を使用することも可能であり、この場合、頂点の数および従って外辺の数は、常に偶数でなければならなく、湾曲した隆起の配置は、全体にシンメトリーでなければならない。以下に、長方形の基本形状を有する実施形態がより詳細に記述される。類似の説明は、その他の多角形にも適用される。

図５は、本発明による実施形態における、図４に類似するフレームを有する長方形膜を示す。隆起は、従来技術において公知のペアのまっすぐな隆起３および本発明による湾曲した隆起２である。配置は、シンメトリーな２つの面に関してシンメトリーであり、２つの中間領域５があり、１つは長方形の短い方の各辺に沿っている。コーナー９は、開いており、フレーム１３は、図４で説明されるように、突起１４を有する。隆起２の湾曲のために、突起１４は、正確に長方形ではなく、コーナー９の形状にマッチする鈍角を有する。

平面図において概して長方形の形状を有する膜に対して生じる最も重要なパラメータおよび膜の好適な値は、以下のとおりである。

長方形の長い方の辺Ｌの長方形の短い方の辺Ｓに対する長さ比率は、好適には、１と２の間である。すなわち、
１≦Ｌ／Ｓ≦２
である。

しかしながら、特別な実施形態において、例えば、５以上のより高い値を使用することも可能である。そのような高い値は、ドーム領域のサイズの膜の全サイズに対する比率を本質的に減少させ、従って状況がそれを必要とする場合にのみ選ばれることを留意しなければならない。長方形の長い方の辺Ｌの長さは、ほとんどのアプリケーションの分野で、好適には７ｍｍと１００ｍｍとの間の範囲にあり、より好適には、約３０ｍｍから７０ｍｍまでの範囲にある。

隆起のような縁の領域２、３（特にその領域の内側縁８）とドーム４（特にドームの外側縁、ドームの縁６）との間に２つ以上の中間領域５が位置する。これらの中間領域の高さＨは、下記のとおり、０ｍｍと長方形の関連する(描かれた例においては、短い方の)辺Ｓの長さの半分である最大値との間であり得る。
０≦Ｈ≦Ｓ／２
中間領域５は、膜１の上下の移動中に、上記のばね質量系における更なるスプリングとして動作する。

隆起間のコーナー９は、下記のいずれかである。

ａ）描かれた実施形態の場合のように、カバーされないか、または、
ｂ）リッジおよび／またはグルーブが設けられる。該リッジおよび／またはグルーブは、上記の欧州特許第１ ５１５ ５８２Ａ号に記述されているように、いわゆる音響のショートを防ぐ。

コーナーに対する解決法の選択は、主として、放出された音場において音響のショートが気づかれる程度による。膜のメカニズムの観点から、解決法（ａ）が好適である。なぜならば、ドームの振動を引き起こす隆起におけるアンローリング（ｕｎｒｏｌｌｉｎｇ）プロセスが、障害なく起こり得るからである。しかしながら解決法（ａ）は、音響のショートを生成するという欠点を有する。従って、解決法（ａ）は、この音響のショートからの干渉が気づかれない程度である場合のみ、配置に使用され得る。一般に、これは、音響的な「開放」配置を有する場合である。

原則として、中間領域の材料厚および最終または終わりの段階の隆起は等しく、このことは、複雑な形成（ディープドローイング）プロセスを確かに必要としない。さらに、特別な実施形態において、隆起の厚さおよび中間領域は、米国特許第６，１８５，８０９Ｂ号に対応するオーストリア特許第４０３ ７５１Ｂ号に記述される方法とは異なる方法で選ばれ得る。これらの手段の組み合わせの結果、コイル取り付けから縁への膜の変形の一層良い線形化が達成される。

隆起における膜厚（膜−コイル系の所定の幾何学的形状、材料、および所定の質量）は、上記のばね質量系の固有振動数ｆ１を決定する。材料厚自体の典型的な値は、（所望の固有振動数により）２０μｍから８０μｍまでの範囲にある。より大きなコンバータおよび／またはより高い固有周波数のために、より大きい材料厚もまた可能である。

ドームの高さおよび形状ならびにコイルのためのアセンブリの設計は、本発明と関連がなく、最新の技術において使用されるすべての寸法および解決法を使用することが可能である。

結果の説明は以下のとおりである。

本発明により形作られた膜において、ばね動作は、隆起に起因するのではなく、しかし隆起の変形と中間領域の変形との間の協働の結果、もはや発生しない。例示のため、２つのコンポーネント（隆起および中間領域）が２つの直列接続のばねを表すと想像されたい。この目的のために、静止力または調和力がコイルに適用され、それが膜を偏向させると想像され得る。調和力の場合、共鳴振動数以下の振動数が選ばれる。この振動数範囲において、ばね質量系の動きは、ばねの特性によって決定される。

膜の中間面と比較すると、長手方向に湾曲した隆起２の湾曲の適切な選択によって、この二つの部品の変形は、変形が縁から中間にできるだけ一定に増加するように、すなわち隆起２、３および中間領域５の両方が各々変形の部分を受け取るように、影響を受け得る。これらの変形は、数値シミュレーションのいずれかによってまたは有限要素プログラム、あるいは、イメージ生成、干渉計ベースのレーザー振動計による実際に存在するサンプルの測定によって、表され得、従って、これらの変形は、測定の基礎として使用され得る。

膜のいくつかの部分に対する変形の分配の結果、機械的コンプライアンスが線形化される。機械的コンプライアンスの線形化によって、調和ひずみ、相互変調ひずみなどの結果的に生じる音響ひずみは、特に高い偏向の範囲において、最小化される。

膜は、膜に使用される任意の材料、特に、マクロフォル（Ｍａｃｒｏｆｏｌ）またはポカロン（Ｐｏｋａｌｏｎ）などのポリカーボネートから構成され得る。しかしながら、ポリエステル（Ｍｙｌａｒ）、ポリイミド（Ｋａｐｔｏｎ）またはポリプロピレン（Ｄａｐｌｅｎ）を使用することも可能である。そのような材料の弾性係数は、通常、約３０００ＭＰａ以上である。

その他の材料は、例えば、カーボネートまたはポリカーボネートおよびポリウレタンから構成される複合材料であり、また、ツイータスピーカのためには、ベリリウム、銅、チタンまたはアルミニウムなどの金属である。

本発明は、図面を参照して、以下のとおりさらに説明される。
図１は、本発明による膜を透視図で示す。 図２は、三方向からの図１による膜の概略図を示す。 図３は、六角形の実施形態を示す。 図４は、従来技術による膜を透視図で示す。 図５は、本発明による同様な膜を透視図で示す。

Claims (3)

1. 動的コンバータ、特にヘッドフォン、小型ラウドスピーカーなどのための膜（１）であって、該膜は、平面図において、円形状ではなく、少なくとも４つの縁（７）によって範囲が定められるベース面を有しており、該膜は、
   ドーム（４）またはキャップと呼ばれる中央の円形または多角形のエリアであって、該ドームの縁（６）にコイルが装着されるか、または装着され得る、エリアと、
   隆起（２、３）と呼ばれる上面から見られるときに概ね細長い長方形である外側のエリアと、
   中間エリア（５）と呼ばれる、間に挟まれて位置するエリアであって、該エリアは、多角形の縁（８）から該ドームの縁（６）への遷移を覆う、エリアと
   を有し、
   平面図において互いに対称的に配置される少なくとも２つの隆起（２）が、膜面（１０）に対する湾曲として存在することを特徴とする、膜。
2. 前記長方形の膜の形状の場合において、長い側の縁に沿って延びる前記湾曲する隆起（２）が、前記ドーム（４）に向かう方向に湾曲されることを特徴とする、請求項１に記載の膜。
3. 前記隆起（２、３）および前記ドーム（４）は、前記膜面（１０）に対して、同じ側に湾曲されることを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の膜。

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