JP6625899B2 - 電気機械変換器 - Google Patents

Description

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

補聴器等に用いられる電気機械変換器や電気音響変換器は、アーマチュア、ヨーク、コイル、磁石などからなる駆動部を備え、コイルに供給される電気信号に応じてアーマチュアを駆動し、アーマチュアと他の部材との間の相対振動を機械振動や音響に変換するように構成される。例えば、所謂バランスド・アーマチュア型（以下、バランス型と呼ぶ）の電磁型変換器の例として、特許文献１には、Ｕ字型のアーマチュアを用いた磁気回路の構造例が開示され、特許文献２には、平板状のアーマチュアの両端とヨークとの間をそれぞれバネ部材により挟持する構造例が開示されている。上記いずれの場合も、コイルに電流が流れないときは、アーマチュアに対して上下の磁石により作用する磁気力が釣り合うように構成される。一方、コイルに電流が流れるときは、上下の磁石からアーマチュアに対して磁気力が働き、磁気力と復元力が釣り合う位置までアーマチュアが相対的に変位する。この場合の復元力は、特許文献１の場合にはアーマチュア自身の弾性力により与えられ、特許文献２の場合にはバネ部材の弾性力により与えられる。

一般に、上記バランス型の電磁型変換器においては、コイルに電流を流さない状態で、アーマチュアに対して上下の磁石に向かう外力を加えると、磁気力の作用でアーマチュアが上部又は下部の磁石に吸引されるが、外力を取り除くとアーマチュアは釣り合いの位置に戻る。すなわち、アーマチュアが磁石に吸引されることを防止するには、可動範囲内でどの位置にあったとしても、磁石に向かう磁気力（吸引力）に比べて釣り合いの位置に向かう復元力が大きくなるように設計する必要がある。

米国特許第７８６９６１０号明細書 特許第５６５３５４３号

電気機械変換器の小型高出力化を実現するには、電気機械変換器の駆動力をできるだけ大きくすることが望ましい。そのためには、アーマチュアの釣り合いの位置の近傍で、磁気力のアーマチュアの変位量に対する比（負のスティフネス）を大きくして、アーマチュアの復元力（弾性力）のスティフネスに近い値にする必要がある。しかし、上述したようにアーマチュアの可動範囲内で復元力を磁気力より大きくしなければならず、磁気力がアーマチュアの変位に対して非線形に変化することを考慮すると（図８及びその説明参照）、アーマチュアの釣り合いの位置の近傍でアーマチュアの復元力のスティフネスと負のスティフネス（絶対値）を十分に近い値にすることは難しい。以上のように、上記従来の技術によれば、電気機械変換器の良好な磁気特性と信頼性を維持しつつ、入力電力に対する駆動力が大きい電気機械変換器を実現することは困難であった。

本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、良好な磁気特性と信頼性を維持しつつ、入力電力に対して駆動力を十分に高めることが可能な電気機械変換器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、電気信号を機械振動に変換する電気機械変換器であって、少なくとも１対の磁石（１５〜１８）、前記磁石による磁束を導くヨーク（１２、１３）、前記電気信号が供給されるコイル（１４）を一体的に配置した構造部と、前記構造部の内部空間を貫く内側部（１９ａ）、前記内側部から第１の方向の両側に突出した第１の外側部（１９ｂ）及び第２の外側部（１９ｃ）を有し、前記内側部のうち互いに逆向きの前記磁束が導かれる２つの領域を介して前記構造部と磁気回路を構成し、前記磁気回路の磁気力に基づく変位方向に変位するアーマチュア（１９）と、前記第１の外側部と前記構造部との間に挟持され、前記アーマチュアの変位に応じた復元力を前記第１の外側部に付与する第１の弾性機構（２０、２１）と、前記第２の外側部と前記構造部との間に挟持され、前記アーマチュアの変位に応じた復元力を前記第２の外側部に付与する第２の弾性機構（２２、２３）とを備えて構成され、前記アーマチュアは、前記２つの領域の間の所定位置における断面積が前記２つの領域における断面積に比べて小さい形状を有し、前記アーマチュアの変位の範囲内において前記アーマチュアを前記第１の方向に流れる磁束が飽和する特性を有する。

本発明の電気機械変換器によれば、アーマチュアは、コイルに電流が流れないときに釣り合いの位置にあり、コイルに電流を流したときに内側部に加わる磁気力によって構造部に対して相対的に変位し、その際に第１及び第２の弾性機構によりアーマチュアに復元力が作用する。一方、コイルに電流が流れないときにアーマチュアに外力を加えて変位させると第１の方向の磁束が発生するが、変位量が大きくなるとアーマチュアの断面積が小さい部分に制約されて磁束が飽和する。よって、アーマチュアに作用する負のスティフネスの最大値と釣り合いの位置での負のスティフネスの値との差を小さくできるため、入力電力に対する電気機械変換器の駆動力を十分に高めることが可能となる。

本発明のアーマチュアは、前述の断面積の条件を満たす限り多様な形状で形成することができるが、例えば、第１の方向及び変位方向に直交する第２の方向におけるアーマチュアの幅を、前記２つの領域に比べて所定位置で小さくすることができる。この場合、アーマチュアを、変位方向で一定の厚さを有する平板状の部材とすることが望ましい。以上により、アーマチュアを部分的に細い形状とすればよいので、加工が比較的容易であり、厚さを薄くする場合に比べて耐衝撃性への影響が小さくなる。なお、アーマチュアの平面視の形状として、例えば、アーマチュアの内側部のうち第２の方向の両側に対称配置された凹部を形成することができる。

本発明において、アーマチュアの２つの領域には、少なくとも１対の磁石があれば磁気回路を構成することができるが、それぞれギャップを介して対向する２対の磁石を配置することが望ましい。これにより、アーマチュアの両側のそれぞれの領域において、アーマチュアを通す互いに逆向きの２つの磁束を容易に形成することができる。

本発明の第１及び第２の弾性機構として、アーマチュアを挟んで変位方向に対称配置された１対の弾性部材を用いることができる。例えば、１対の弾性部材は、アーマチュアを挟んで変位方向に対称配置された１対のバネ部材である。１対のバネ部材を用いることにより、アーマチュアに対する適切な復元力に応じたバネ定数を容易に設定することができる。

本発明によれば、アーマチュアの２つの領域の間の断面積を部分的に小さくすることで、アーマチュアの変位の範囲内においてアーマチュアを第１の方向に流れる磁束を飽和させることができ、良好な磁気特性と信頼性を維持しつつ、入力電力に対する大きい駆動力を得ることが可能な電気機械変換器を実現することが可能となる。

本実施形態の電気機械変換器の全体を収容するハウジングを取り外した状態の構造を示す斜視図である。 本実施形態の電気機械変換器をＺ方向の一方（図１の紙面上端側）から見たときの上面図である。 本実施形態の電気機械変換器の図２のＡ−Ａ断面における断面図である。 本実施形態の電気機械変換器の図２のＢ−Ｂ断面における断面図である。 本実施形態の電気機械変換器における磁気回路部の分解斜視図である。 バネ部材の構造を示す斜視図である。 図３の横断面図のうちの磁気回路を構成する部分を模式的に表した図である。 本実施形態の電気機械変換器との対比のための比較例として、図５の凹部が形成されない従来型のアーマチュアを用いた場合のアーマチュアの変位量に対する磁気力及び負のスティフネスの計算結果の例を示す図である。 本実施形態の電気機械変換器におけるアーマチュアを用いる場合の図８と同様の条件による計算結果の例を示す図である。 図８及び図９の計算結果に対応するアーマチュアの平面視の形状を対比して示す図である。

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

以下、図１〜図５を参照して、本実施形態の電気機械変換器の基本構造について説明する。図１は、本実施形態の電気機械変換器の全体を収容するハウジング１０を取り外した状態の構造を示す斜視図である。図２〜図４は本実施形態の電気機械変換器を互いに直交する各方向から見たときの図であり、便宜上Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向をそれぞれ矢印にて示している。図２は、本実施形態の電気機械変換器をＺ方向の一方（図１の紙面上端側）から見たときの上面図（後述のハウジング部材１０ｂ、ヨーク１３の一部、磁石１６を欠いた一部欠け端面図）であり、図３は、本実施形態の電気機械変換器の図２のＡ−Ａ断面における断面図であり、図４は、本実施形態の電気機械変換器の図２のＢ−Ｂ断面における断面図である。また、図５は、本実施形態の電気機械変換器における後述の磁気回路部の分解斜視図である。なお、本実施形態の電気機械変換器は、上、下、左、右の方向性を持たないが、以下では説明の便宜のため、各図面を見たときの紙面の方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に応じて、上、下、左、右の方向を記載する場合がある。

図１に示すように、本実施形態の電気機械変換器の全体を収容するハウジング１０は、上下対称に配置された下部のハウジング部材１０ａ及び上部のハウジング部材１０ｂを一体化した構造を有する。ハウジング１０には、電気機械変換器の後述の駆動部１１が収容されている。ハウジング１０は、駆動部１１を支持し得る強度の範囲内で、例えば、プラスチック材料又はステンレス等の軽い金属材料が用いられる。図１〜図４に示すように、下部のハウジング部材１０ａ及び上部のハウジング部材１０ｂの各々の内部には、駆動部１１が可動範囲内でＹ方向に過度に動くことを抑制するための４つのストッパーＳが形成されている。なお、実際には図１の構造を有するハウジング１０は電気機械変換器の全体を覆っているが、図２〜図４では、ハウジング１０を部分的に除去して内部を見た構造を示している。

駆動部１１は、１対のヨーク１２、１３、コイル１４、４つの磁石１５、１６、１７、１８、アーマチュア１９、４つのアーマチュア補強板Ｐ１、４つのバネ部材２０、２１、２２、２３により構成される。駆動部１１のうち、ヨーク１２、１３、コイル１４、４つの磁石１５〜１８が一体的に配置された本発明の構造部として機能し、この構造部の内部空間を貫くアーマチュア１９が駆動部１１に対して、バネ部材２０〜２３により可動に配置されている。また、図１〜図４では図示を省略しているが、コイル１４からは、電気信号を供給するための１対のリード線が延出され、それがハウジング１０の外側の一端に設けた１対の電気端子と電気的に接続されている。

下部のヨーク１２と上部のヨーク１３がＺ方向に対向配置された状態で、例えば溶接により一体的に固定される。図５に示すように、各々のヨーク１２、１３の中央部には、それぞれ内面を向く凹部１２ａ、１３ａが形成され、空芯のコイルが上下のヨーク１２、１３の各凹部１２ａ、１３ａに挟まれるように配置されている。このとき、コイル１４は、空芯部（貫通孔）の両端がＸ方向に開口した状態で、ヨーク１２、１３の中央に位置決めされ、ヨーク１２、１３の内面側と接着剤で固定されている。ヨーク１２、１３の材料としては、例えば、４５％Ｎｉのパーマロイ等の軟磁性材料を用いることができる。

ヨーク１２、１３には、Ｘ方向の両側に突出したバネ部材取付部１２ｂ、１２ｃ、１３ｂ、１３ｃがそれぞれ形成されている。図３に示すように、ヨーク１２のバネ部材取付部１２ｂ、１２ｃのそれぞれのアーマチュア１９に対向する側にはバネ部材２０、２２がそれぞれ当接し、ヨーク１３のバネ部材取付部１３ｂ、１３ｃのそれぞれのアーマチュア１９に対向する側にはバネ部材２１、２３がそれぞれ当接する。また、４つのバネ部材取付部１２ｂ、１２ｃ、１３ｂ、１３ｃの各々には、Ｙ方向の両側に切欠きが形成され、この部分にバネ部材２０〜２３の後述のヨーク取付部２１ｃ（図６）の部分が係合する。つまり、４つのバネ部材取付部１２ｂ、１２ｃ、１３ｂ、１３ｃとバネ部材２０〜２３は、接着や溶接などにより固定されない。なお、バネ部材２０〜２３の具体的な構造については後述する。

ヨーク１２、１３の内側のＸ方向の両側には、磁石１５〜１８が対称的に配置されている。すなわち、１対の磁石１５、１６は、ヨーク１２、１３のＸ方向の一端の各対向面に接着固定され、所定の距離を置いて対向配置されている。同様に、１対の磁石１７、１８は、ヨーク１２、１３のＸ方向の他端の各対向面に接着固定され、所定の距離を置いて対向配置されている。

アーマチュア１９は、Ｘ方向に長尺の板状部材であり、１対の磁石１５、１６の間の空間と、コイル１４の貫通孔と、１対の磁石１７、１８の間の空間をそれぞれ貫くように配置されている。図５に示すように、アーマチュア１９は、ヨーク１２、１３に対向する空間（構造部の内部空間）に位置する内側部１９ａと、内側部１９ａの両側に突出した外側部１９ｂ、１９ｃからなる。アーマチュア１９の内側部１９ａのうち、Ｘ方向の中央部には１対の円弧状の凹部Ｃが形成されるとともに、凹部Ｃが形成されていない領域はＹ方向で磁石１５〜１８と同程度の幅を有する。１対の凹部Ｃの役割は、アーマチュア１９のＹ方向の幅を部分的に小さくすることで、アーマチュア１９をＸ方向に貫く磁束を飽和させることにあるが、詳細については後述する。また、アーマチュア１９の外側部１９ｂ、１９ｃは、Ｙ方向で内側部１９ａよりも細い幅の矩形部分を部分的に切り欠いて形成される。アーマチュア１９の材料としては、ヨーク１２、１３と同様、例えば、４５％Ｎｉのパーマロイ等の軟磁性材料を用いることができる。

アーマチュア１９の両方の外側部１９ｂ、１９ｃから内側部１９ａの両端にかけて、その両面に２対（４個）のアーマチュア補強板Ｐ１（図３）が溶接されている。アーマチュア補強板Ｐ１の各々は、図２に示すように、Ｙ方向で外側部１９ｂ、１９ｃの切欠き部分と同じ幅を有する矩形であり、アーマチュア１９のうちバネ部材２０〜２３を取り付ける部分の厚みを確保する役割がある。なお、磁気回路やバネ部材２０〜２３の設計を考慮して、アーマチュア１９の厚みを十分に確保できる場合には、アーマチュア補強板Ｐ１を設けなくてもよい。

図３に示すように、アーマチュア１９の上下（Ｚ方向の両面）には、磁石１５〜１８との間に平行な隙間が形成されており、それぞれの隙間がギャップＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４（図７参照）を構成する。４つの磁石１５〜１８は互いに同形状でＸ方向及びＺ方向に対称配置されることから、４つのギャップＧ１〜Ｇ４も互いに同形状である。ギャップＧ１〜Ｇ４は、アーマチュア１９が、その通常動作の範囲内でＺ方向に変位したとき、コイル１４及び磁石１５〜１８と接触しない程度の適当な隙間（厚さ）となっている。

また、アーマチュア１９の両側の外側部１９ｂ、１９ｃの各々は、その両端が前述のアーマチュア補強板Ｐ１を介して上下のハウジング部材１０ａ、１０ｂに挟まれた状態で接着剤等により固定される。なお、ハウジング１０は、アーマチュア１９の両端を除いて、駆動部１１とは接触しない構造となっている。アーマチュア１９とハウジング１０との結合部分は、駆動部１１で発生した振動がハウジング１０に確実に伝達されるように十分な剛性を持たせる必要がある。図５に示すように、アーマチュア１９の両側の外側部１９ｂ、１９ｃの形状は、ヨーク１２、１３のバネ部材取付部１２ｂ、１３ｂ、１２ｃ、１３ｃのそれぞれの対向する部分の形状とＺ方向で重なっている。

４つのバネ部材２０〜２３はそれぞれ板状部材を折り曲げ加工して形成された板バネであり、１対のバネ部材２０、２１（本発明の第１の弾性機構）がアーマチュア１９の一方の外側部１９ｂに取り付けられるとともに、１対のバネ部材２２、２３（本発明の第２の弾性機構）がアーマチュア１９の他方の外側部１９ｃに取り付けられている。バネ部材２０〜２３の役割は、アーマチュア１９が磁気回路内で構造部に対して相対的に変位したとき、その変位の大きさに比例する復元力をアーマチュア１９に与えることにある。図４に示すように、下部のバネ部材２０（２２）と、上部のバネ部材２１（２３）は、アーマチュア１９の外側部１９ｂ（１９ｃ）を上下から挟みつつ、Ｚ方向に対称配置されている。以下、各々のバネ部材２０〜２３の構造について、図６の斜視図を参照しつつ説明する。

図６においては、代表してバネ部材２１の構造を示しているが、他のバネ部材２０、２２、２３についても同様の構造を有している。図６に示すように、バネ部材２１は、Ｙ方向の両側の２つの湾曲部２１ａ、２１ｂと、中央で上下に対向する内向き凹部としてのヨーク取付部２１ｃ及びアーマチュア取付部２１ｄと、バネ部材補強部２１ｅとを含む。なお、不図示のバネ部材２０、２２、２３に関しても、上記と同様の湾曲部２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ、ヨーク取付部２０ｃ、２２ｃ、２３ｃ、アーマチュア取付部２０ｄ、２２ｄ、２３ｄ、バネ部材補強部２０ｅ、２２ｅ、２３ｅを含むものとする。また、バネ部材補強部２１ｅは、ヨーク取付部２１ｃの内側面（バネ部材２１の内周側）に溶接されている。バネ部材２１の形成に用いる板状部材の両端がヨーク取付部２１ｃにおいて、バネ部材補強部２１ｅによって接合され、ひとつながりのリング状に形成されている。バネ部材２１に切れ目がない場合には、バネ部材補強部２１ｅを設ける必要はない。なお、バネ部材２１は、一体的に本発明の弾性部材として機能する。

図６のバネ部材２１の形状は、図４に示すように、ヨーク取付部２１ｃの凹形状がヨーク１３のバネ部材取付部１３ｂの形状に係合し、アーマチュア取付部２１ｄの凹状断面がアーマチュア１９及びアーマチュア補強板Ｐ１の形状に係合する。これらの係合箇所は、接着や溶接などで固定されないが、バネ部材２１を駆動部１１に組み込んだとき、それぞれの凹形状によってバネ部材２１のＸ及びＹ方向への動きを規制することができる。バネ部材２１は、ヨーク１３のバネ部材取付部１３ｂとアーマチュア補強板Ｐ１とにそれぞれ当接した状態で安定に挟持される。なお、バネ部材２０は、バネ部材２１とはＺ方向に対称的な配置で挟持される。また、図４に示すように、１対のバネ部材２０、２１（２２、２３）は、その押圧力によってアーマチュア１９を釣り合いの位置に保持するため、Ｚ方向に若干潰れた状態となっている。

本実施形態のバネ部材２０〜２３の設計に際しては、アーマチュア１９に付与すべき復元力に応じたバネ定数を得られるように、板バネの形状、材質、板厚、あるいは湾曲部２１ａ、２１ｂの曲率などを定める必要がある。バネ部材２０〜２３の材質としては、例えば、非磁性のバネ用ＳＵＳ材などを用いることができる。また、バネ部材２０〜２３の板厚は、例えば、０．１ｍｍ程度に設定することができる。

次に、本実施形態の電気機械変換器の基本的な動作について説明する。図７は、図３の横断面図のうちの磁気回路を構成するヨーク１２、１３、コイル１４、磁石１５〜１８、アーマチュア１９の部分を模式的に表した図である。説明の簡略化のため、アーマチュア１９に付随するアーマチュア補強板Ｐ１は図示を省略し、磁気回路を構成しない他の部材についても図示を省略する。図７に示すように、コイル１４を挟んでＺ方向に対向配置された１対の磁石１５、１６及び１対の磁石１７、１８は、互いに逆方向に着磁されている。例えば、図７の右側の磁石１５、１６は下方向に磁化され、図７の左側の磁石１７、１８は上方向に磁化される。このように磁化された磁石１５〜１８により、ヨーク１２、１３及びアーマチュア１９には、実線矢印にて示す磁束Ｂ１が発生する。

そして、磁束Ｂ１のうちギャップＧ１〜Ｇ４を通る磁束による磁気力がアーマチュア１９に作用する。具体的には、アーマチュア１９に対し、下側のギャップＧ１、Ｇ３の磁気力が強くなると下向きの力が作用するとともに、上側のギャップＧ２、Ｇ４の磁気力が強くなると上向きの力が作用する。これら４つの力が釣り合っていない場合には、アーマチュア１９は力の大きい方に変位する。よって、コイル１４に電流が流れていない状態で上記４つの力が釣り合うようにアーマチュア１９が位置決めされる。このとき、アーマチュア１９が変位しないので、ギャップＧ１を通る磁束とギャップＧ２を通る磁束がほぼ等しく、かつ、ギャップＧ３を通る磁束とギャップＧ４を通る磁束もほぼ等しい状態にある。そのため、アーマチュア１９のうちコイル１４に囲まれた部分には正味の磁束が流れない状態にある。

この状態でコイル１４に電流を流す場合、アーマチュア１９のうちコイル１４に囲まれた部分には、電流の方向に応じた向きの磁束が発生する。例えば、図７は、コイル電流により、アーマチュア１９に点線矢印で示す磁束Ｂ２が発生する状態を示している。このとき、図７における各磁束Ｂ１、Ｂ２の方向性を考慮すると、磁束Ｂ２の発生により、下側のギャップＧ１、Ｇ３の磁束はそれぞれ増加し、上側のギャップＧ２、Ｇ４の磁束はそれぞれ減少する。その結果、アーマチュア１９は下向きの磁気力を受けて下向きに変位する。

アーマチュア１９が下向きに変位したとき、バネ部材２０〜２３（図３）により、変位を元の位置に戻そうとする復元力が作用する。アーマチュア１９が変位したときバネ部材２０〜２３の復元力の和が、アーマチュア１９に働く磁気力に比べて大きい場合は、アーマチュア１９が磁石１４、１６に吸着することは避けられる。以上の動作は、所謂バランスド・アーマチュア型の電磁型変換器の動作原理と同様である。なお、コイル電流が上記と逆向きである場合は、アーマチュア１９が上向きの磁気力を受けて上向きに変位する状態を想定すればよい。

ここで、アーマチュア１９以外のヨーク１２、１３、コイル１４、磁石１５〜１８からなる部分（本発明の構造部）とアーマチュア１９との相対振動を考える。上述したように、コイル１４への電気信号の印加時に流れる電流に応じた駆動力が発生し、この駆動力が上述の相対振動を生じさせる。アーマチュア１９の両端とハウジング１０とが十分な剛性をもって固定されるので、アーマチュア１９と構造部との間に発生した駆動力は、アーマチュア１９を通してハウジング１０に伝達され、ハウジング１０に振動を生じさせる。以上のように、本実施形態の電気機械変換器は、外部から印加される電気信号に対応する機械振動を発生するように構成される。

次に、本実施形態の電気機械変換器において、アーマチュア１９に働く力と変位との関係について図８及び図９を用いて説明する。図８は、本実施形態の電気機械変換器との対比のための比較例として、図５の凹部Ｃが形成されない従来型のアーマチュア（例えば、特許文献２に記載のアーマチュア１９）を用いた場合のアーマチュア１９の変位量に対する磁気力及び負のスティフネスの計算結果の例を示している。なお、図８の計算においては、アーマチュア１９の形状を除き、図３と同様の断面構造及び図７と同様の磁気回路を想定するとともに、漏洩磁束を無視し、アーマチュア１９及びヨーク１２、１３の磁気抵抗を無視し、アーマチュア１９がギャップＧ１〜Ｇ４内で変位したときに磁石１５〜１８の磁化が変化しないことを仮定している。

図８の横軸に示すｘは、図７と同様の磁気回路を想定したとき、アーマチュア１９の釣り合いの位置からのＺ方向の変位量を空隙長（ギャップＧ１〜Ｇ４の厚さ）で規格化した量である。すなわち、ｘ＝０はアーマチュア１９が上下の磁石１５〜１８の磁気力の釣り合いの位置（変位なし）にある場合に対応し、ｘ＝１はアーマチュア１９が上部の磁石１６、１８に接触する位置（アーマチュア１９の可動範囲の上限位置）に対応する。また、図８の縦軸には、上部の磁石１６、１８によりアーマチュア１９に印加される磁気力Ｆｍ（右側のスケール）と、この磁気力Ｆｍをアーマチュア１９の変位量で割った量である負のスティフネスＳｍ（左側のスケール：絶対値で表示）とを併せて示している。なお、アーマチュア１９及び磁気回路のＺ方向の対称性から、図８はｘ＜０の領域でも同様の変化を示す。

図８に示すように、アーマチュア１９が釣り合いの位置（ｘ＝０）から変位するにつれ、磁気力Ｆｍが大きくなる。一般に、磁気力Ｆｍは変位量に対して線形ではなく、高次の項を含むので、図８における磁気力Ｆｍの傾きに対応する負のスティフネスＳｍはｘとともに増加している。この場合、ギャップＧ１〜Ｇ４内を変位するアーマチュア１９が上下の磁石１５〜１８に接触しないためには、バネ部材２０〜２３によってアーマチュア１９に働く復元力が常に磁気力Ｆｍより大きくなければならない。すなわち、アーマチュア１９の可動範囲のどの位置でも、バネ部材２０〜２３のバネ定数（スティフネス）を負のスティフネスＳｍより大きく設定する必要がある。ここで、負のスティフネスＳｍの最大値をＳｍ^maxと表すとすると、図８の例では、ｘ＝１のとき、Ｓｍ^max＝２５０００程度であり、この値よりバネ部材２０〜２３のスティフネスＳｅを大きくする必要がある。

一方、電気機械変換器における入力電力に対する変位量として規定される感度は、アーマチュア１９の図８の特性に依存して定まる。すなわち、スティフネスが支配的な低周波帯域を想定すると、アーマチュア１９の変位が小さいｘ＝０近傍では、電気機械変換器の感度は、バネ部材２０〜２３のスティフネスＳｅと負のスティフネスＳｍとの差（Ｓｅ−Ｓｍ）に依存して定まり、この差（Ｓｅ―Ｓｍ）が小さいほど感度が上昇する。図８において、負のスティフネスＳｍに関し、前述の最大値Ｓｍ^maxとｘ＝０のときの値Ｓｍ（０）との差をΔＳとすると、ΔＳは次の（１）式のように表される。
ΔＳ＝Ｓｍ^max−Ｓｍ（０） （１）
前述したように、バネ部材２０〜２３のスティフネスＳｅは負のスティフネスの最大値Ｓｍ^maxより大きくする必要があるので（Ｓｍ^max≦Ｓｅ）、電気機械変換器の感度の最大値は、（１）式の差ΔＳの逆数に比例することになる。

また、電気機械変換器の駆動力は、アーマチュア１９の変位量とバネ部材２０〜２３のスティフネスＳｅとの積に一致する。よって、電気機械変換器への入力電力が一定である場合、駆動力をできる限り大きくするためには、バネ部材２０〜２３のスティフネスＳｅを、アーマチュア１９の変位の範囲内での負のスティフネスの最大値Ｓｍ^maxに一致させる必要がある。結局、入力電力に対する駆動力の大きさは、Ｓｍ^maxに比例し、ΔＳに反比例することになる。この場合の係数は、次の（２）式のように書き換えることができる。
Ｓｍ^max／ΔＳ＝｛１−Ｓｍ（０）／Ｓｍ^max｝^-1 （２）
よって、（２）式の右辺のＳｍ（０）／Ｓｍ^maxを１に近付けることで、入力電力に対する駆動力の大きさを非常に大きい値にすることができる。図８の例では、Ｓｍ（０）／Ｓｍ^maxが約０．６４であるので、Ｓｍ^max／ΔＳが約２．８となるが、Ｓｍ^max／ΔＳを０．９以上にできれば、Ｓｍ^max／ΔＳが１０以上となるので、駆動力を３倍以上に増加させることが可能である。

次に図９は、本実施形態の電気機械変換器におけるアーマチュア１９を用いる場合の図８と同様の条件による計算結果の例を示している。図９における横軸及び縦軸と各パラメータの意味は図８で説明した通りである。また、図１０は、図８及び図９の計算結果に対応するアーマチュア１９の平面視の形状を対比して示している。図１０（Ａ）は、図８に対応する従来型のアーマチュア１９のＸＹ面内の平面図であり、図１０（Ｂ）は、図９に対応する本実施形態のアーマチュア１９のＸＹ面内の平面図である。図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）の相違は、図１０（Ｂ）のアーマチュア１９に内側部１９ａに形成された１対の円弧状の凹部Ｃが、図１０（Ａ）のアーマチュア１９の内側部１９ａには形成されていない点のみである。

上述の相違により、アーマチュア１９の内側部１９ａのＹ方向に関して、図１０（Ａ）では一定の幅であるの対し、図１０（Ｂ）でＹ方向の幅が凹部Ｃの部分で短くなり、中央部で最も細くなっている。ここで、アーマチュア１９のＺ方向の厚さは図１０（Ａ）と図１０（Ｂ）で共通であるので、図１０（Ｂ）の中央部でのアーマチュア１９の断面積は、図１０（Ａ）に比べて中央部の幅の比率だけ小さくなる。ここで、アーマチュア１９をＸ方向に貫く磁束φは、磁束密度Ｂと断面積Ａとにより、φ＝Ａ・Ｂと表すことができ、アーマチュア１９が所定の磁束密度で磁気飽和したときの磁束φの最大値は断面積Ａに比例することになる。本実施形態の構造上の特徴は、アーマチュア１９に凹部Ｃを形成して部分的に断面積Ａを小さくすることで、以下に述べるようにアーマチュア１９を変位の範囲内で磁気飽和させることにある。

すなわち、図９に示すように、アーマチュア１９の釣り合いの位置の近傍では、磁気力Ｆｍ及び負のスティフネスＳｍは、図８と概ね同様に変化するが、アーマチュア１９の変位量がある程度大きくなると、アーマチュア１９をＸ方向に貫く磁束が飽和し始め、磁気力Ｆｍの傾きが緩やかになるとともに、負のスティフネスＳｍが減少していく。本実施形態では、アーマチュア１９の変位の範囲内の適切な位置でアーマチュア１９のＸ方向の磁束が飽和するように、アーマチュア１９の前述の断面積Ａを設定するものである。

上記の作用に基づき、図９に示すように、ｘ＝０．４の付近でアーマチュア１９が磁気飽和することで、それより変位量が増加した場合の磁気力Ｆｍの増え方が極めて緩やかになるとともに、負のスティフネスＳｍが減少することになる。その結果、図９に示すように、負のスティフネスＳｍの最大値Ｓｍ^maxとｘ＝０のときの値Ｓｍ（０）との差ΔＳが小さくなり、前述したように（２）式におけるＳｍ（０）／Ｓｍ^maxが１に近付くことになるので、電気機械変換器における入力電力に対する駆動力の大きさを極めて大きい値に設定することが可能となる。例えば、図９の例ではＳｍ（０）／Ｓｍ^maxが約０．９であるので、Ｓｍ^max／ΔＳは約１０となり、図８の例と比べた場合、駆動力を３倍以上に増加させることができる。なお、図９で磁気飽和が発生する変位量は、アーマチュア１９の内側部１９ａにおける凹部Ｃがない箇所と凹部Ｃにより最も幅が細くなる箇所との幅の比に依存するので、図９の所望の特性に応じて凹部Ｃの部分の幅を設定することが重要である。

なお、本実施形態ではアーマチュア１９の内側部１９ａに凹部Ｃを形成して部分的にＹ方向の幅を細くする形状を示しているが、内側部１０の全体のＹ方向の幅を細くする形状も想定される。しかし、このような形状では、前述の磁気飽和が生じたとしても、アーマチュア１９が磁石１５〜１８及びギャップＧ１〜Ｇ４と対向する部分の対向面積が縮小するので、アーマチュア１９に対する磁気力が十分に得られなくなる。従って、アーマチュア１９の凹部Ｃは、磁石１５〜１８及びギャップＧ１〜Ｇ４と対向する２つの領域に挟まれた所定位置に形成することが望ましい。アーマチュア１９全体の厚さを薄くして内側部１９ａの断面積を小さくすることによっても本発明と同様の効果が得られるが、一般的に所望の厚さのアーマチュア材料を入手することが容易ではない場合があり、本発明の方が設計の自由度が大きい。

本実施形態では、アーマチュア１９に内側部１９ａに凹部Ｃを形成し、アーマチュア１９のＹ方向の幅を部分的に狭くしているが、かかる構造には限定されることなく、アーマチュア１９の内側部１９ａの断面積を部分的に小さくできれば、上述の作用効果を実現することができる。例えば、アーマチュア１９の内側部１９ａのＺ方向の厚さを部分的に小さくしてもよい。ただし、アーマチュア１９の厚さが薄くなることによる耐衝撃性の低下などへの対策が必要である。また、アーマチュア１９の厚さを薄くするよりも、上述の凹部Ｃを形成するほうが、比較的加工が容易となる。なお、アーマチュア１９に形成される上述の凹部Ｃは、円弧状に限らず、矩形状など多様な形状とすることができ、Ｙ方向に非対称の形状であってもよい。

以上、本実施形態に基づいて本発明に係る電気機械変換器について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことができる。例えば、本実施形態では、電気信号を機械振動に変換する電気機械変換器に対して本発明を適用する場合を説明したが、本発明は、電気信号を音響に変換して外部に出力する電気音響変換器に対しても適用可能である。さらに、本発明に係る電気機械変換器は、例えば、使用者の耳甲介腔に装用する補聴器に適用することができる。これにより、電気機械変換器の振動自体とそのハウジングの振動によって発生した音の両方を伝達手段として機能させ、使用者の耳に音を伝達することができる。このような電気機械変換器を、例えば、耳甲介腔に装用する補聴器に適用する場合、ハウジング１０の外形形状を耳甲介腔装用に適した形状とすることが望ましい。

１０…ハウジング
１１…駆動部
１２、１３…ヨーク
１４…コイル
１５、１６、１７、１８…磁石
１９…アーマチュア
２０、２１、２２、２３…バネ部材
Ｐ１…アーマチュア補強板
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４…ギャップ

Claims (7)

1. 電気信号を機械振動に変換する電気機械変換器において、
   少なくとも１対の磁石と、前記磁石による磁束を導くヨークと、前記電気信号が供給されるコイルとを一体的に配置した構造部と、
   前記構造部の内部空間を貫く内側部と、前記内側部から第１の方向の両側に突出した第１の外側部及び第２の外側部とを有し、前記内側部のうち互いに逆向きの前記磁束が導かれる２つの領域を介して前記構造部と磁気回路を構成し、前記磁気回路の磁気力に基づく変位方向に変位するアーマチュアと、
   前記第１の外側部と前記構造部との間に挟持され、前記アーマチュアの変位に応じた復元力を前記第１の外側部に付与する第１の弾性機構と、
   前記第２の外側部と前記構造部との間に挟持され、前記アーマチュアの変位に応じた復元力を前記第２の外側部に付与する第２の弾性機構と、
   を備え、
   前記アーマチュアは、前記２つの領域の間の所定位置における断面積が前記２つの領域における断面積に比べて小さい形状を有し、前記アーマチュアの変位の範囲内において前記アーマチュアを前記第１の方向に流れる磁束が飽和することを特徴とする電気機械変換器。
2. 前記第１の方向及び前記変位方向に直交する第２の方向における前記アーマチュアの幅は、前記２つの領域に比べて前記所定位置で小さいことを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換器。
3. 前記アーマチュアは、変位方向で一定の厚さを有する平板状の部材であることを特徴とする請求項２に記載の電気機械変換器。
4. 前記アーマチュアの内側部のうち前記第２の方向の両側に対称配置された凹部が形成されていることを特徴とする請求項２又は３の記載の電気機械変換器。
5. 前記少なくとも１対の磁石は、前記アーマチュアの前記２つの領域において、それぞれギャップを介して対向する２対の磁石であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電気機械変換器。
6. 前記第１及び第２の弾性機構の各々は、前記アーマチュアを挟んで前記変位方向に対称配置された１対の弾性部材であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電気機械変換器。
7. 前記１対の弾性部材は、前記復元力に応じた所定のバネ定数を有する１対のバネ部材であることを特徴とする請求項６に記載の電気機械変換器。

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