JPH0591592A

JPH0591592A - 永久磁石による変換

Info

Publication number: JPH0591592A
Application number: JP4050013A
Authority: JP
Inventors: Thomas A Froeschle; トーマス・エー・フレシユル; Ricardo F Carreras; リカルド・エフ・カレラス
Original assignee: Bose Corp
Current assignee: Bose Corp
Priority date: 1991-03-11
Filing date: 1992-03-06
Publication date: 1993-04-09
Also published as: EP0508570B1; DE69206863D1; EP0508570A2; ATE131991T1; EP0508570A3; US5216723A; DE69206863T2; CA2061444A1

Abstract

(57)【要約】【目的】動作周波数帯域において、平坦な周波数応答特
性を示し、しかも非常に高い効率で動作する音響再生シ
ステムを提供する。【構成】低い磁気抵抗を有する磁性体材料によるコア
（１１）を含み、狭いギャップ（１４）を有するトラン
スジューサーが提供される。第１及び第２の導電性材料
のコイル（１２、１３）を具備し、このコイルは前記ギ
ャップの隣接する対向面付近のコア（１１Ａ、１１Ｂ）
に巻かれる。ギャップ内でそのギャップを実質的に充填
する永久磁石は、コア（１１）には接触しておらず、永
久磁石とコアの間の運動が可能なように支持される。コ
ア（１１）は一般にＵ形、Ｃ形又は８の字型で、永久磁
石とコア間に相対運動経路を有し、この運動経路は一般
にコア面に直交している。永久磁石の運動平面内にコア
は存在しない。永久磁石は、好適に第１及び第２の永久
磁石（１５、１６）を具備し、これら磁石の異なる磁極
が隣接して設けられ、その境界線は相対運動の方向に沿
ったコアの対向面間にある空間の実質的に中心部に位置
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は永久磁石による変換に関
し、特に永久磁石と低い磁気抵抗の磁石コア上のコイル
との間の相対運動を利用して、機械的及び電気的エネル
ギを交換する新しい装置及びその技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】代表的な従来の可動磁石の電気・機械変
換器は、米国特許Ｎｏｓ．３，７９８，３９１，３，
９１７，９１４及び３，９３７，９０４に開示されてい
る。後者の特許は、磁気透過性材料を用いたＵ形状のコ
アを有するトランスジューサを開示しており、このコア
にはギャップから離れたＵ形状の湾曲部に、ギャップと
静的電気コイルを定義する極部材が設けられている。永
久磁石はギャップの中心部で動くように配置され、ギャ
ップはＵ形状のコアの平面内にあり、このコアは湾曲部
のコイルの方向に向かい、しかもコイルから離れた位置
に設けられる。永久磁石は対面する磁極を有し、極部材
の一つに面する一対の北・南極、及び他の極部材に面し
てそれを補償する一対の南・北極を提供する。

【０００３】

【課題を解決するための手段と作用】永久磁石による改
善された変換を提供するのはこの発明の重要な特徴であ
る。本発明によれば、狭いギャップが形成される低い磁
気抵抗の磁気材料コアが設けられる。導電性材料の第１
及び第２コイルが設けられ、これらコイルはギャップの
両側でギャップに近接するコアに巻かれる。ギャップ内
で実質的にギャップを充填する永久磁石は、コアとの接
触関係はなく、永久磁石とコアの間で相対運動ができる
ように支持される。一般にコアは、Ｕ形状、Ｃ形状又は
８の字形状であり、永久磁石とコア平面に対して一般に
直交する方向の相対運動経路が設けられる。永久磁石の
運動空間内にコア部分はない。好適に永久磁石は第１及
び第２の接近した永久磁石要素を具備し、これらの要素
は異なる磁極が接近させて設けられ、この接近する磁極
はコアの対向する面の間にある運動経路の中心部に位置
する。

【０００４】この発明の一局面によれば、永久磁石に接
続されるダイアフラムが設けられ、そして、第１及び第
２巻線に電気信号が供給されることにより、ギャップ内
に信号に対応する磁場が発生する。そして永久磁石とコ
アの間に、信号に対応する相対力が生し、それゆえ信号
に対応するダイアフラムの変位が生じる。第１及び第２
の端部を有するフレームが提供され、ダイアフラムの縁
はこのフレームの第２の端部に位置する第１サスペンシ
ョン要素に接続され、フレーム内に支持される。第２サ
スペンション要素はこのダイアフラムと第２サスペンシ
ョン要素間のフレーム内部に支持される。永久磁石はフ
レーム内の第１及び第２サスペンション要素間に接続さ
れる。

【０００５】好適に本発明装置には、一つの信号入力
と、一つのフィードバック入力と、前記信号入力と前記
フィードバック入力の加算値に比例する結合信号を供給
する出力とを有する結合器が設けられる。又、制御信号
源が提供され、この信号源の一つの入力は前記結合器出
力に接続され、一つの出力は前記巻線の少なくとも一つ
に結合され、出力に制御信号を発生する。又、トランス
ジューサー(transducer)とフィードバック入力を接続す
るフィードバック回路が提供され、永久磁石アッセンブ
リの速度又は加速度に比例するフィードバック信号、又
は前記巻線を流れる電流に比例するフィードバック信号
が好適に供給される。

【０００６】

【実施例】図面中の特に図１に、本発明によるトランス
ジューサーの斜視図が示される。軟鉄のような低い磁気
抵抗材料のＣ形コア１１は導電材料の第１巻線１２及び
第２巻線１３を有し、これらは足部１１Ａ及び１１Ｂに
巻かれている。これら足部はギャップ１４に近接してお
り、ギャップ１４は可動磁石支持部１７に設けられる永
久磁石１５及び１６により実質的に満たされている。永
久磁石１５及び１６は、同極ではない隣接する極を有
し、巻線１２及び１３を流れる電流が実質的に０で他の
外力のないとき、極の境界は相対運動１８の方向に沿っ
て、コア１１の対向する面の中心に位置している。

【０００７】図２は図１に示したトランスジューサーを
具備するすスピーカ駆動部の軸方向断面図である。同一
参照番号はこれら図面を通して、対応する同一部品を示
す。金属、プラスチック又は他の適当な材料で作られた
スピーカ・バスケット２１では、バスケット部の対向す
る側にある三脚サスペンション要素２３及び２４に、ス
ピーカのコーン、つまりダイアフラム２２が取り付けら
れている。同図に示されるようにバスケット部１１はコ
ア１１を有する図１のトランスジューサーを囲んでお
り、コアはバスケット２１の内部壁面に設けられる。永
久磁石支持部１７の一端は三脚サスペンション要素２４
に接続され、他端は三脚サスペンション要素２３とコー
ンつまりダイアフラム２２に接続される。長方形磁石ア
ッセンブリは、永久磁石支持部１７、及び長方形磁石１
５及び１６を有し、これら磁石は逆の磁化極性を有し、
Ｃ形コア１１のギャップ中心に吊されている。コイル１
２及び１３は直列に接続され、それらを流れる電流によ
り発生する磁場が増加的に加算するように極性が設定さ
れる。この構成により、コイル１２及び１３内の電流は
磁場を発生し、この磁場は、２つの長方形磁石の極領域
の１つを引き付け、逆極性の領域に反発し、Ｃ形コア１
１の平面を横切る矢印１８によって示される方向に力を
発生する。その結果、力はコイル１２及び１３に供給さ
れた電流に線形に比例し、この力は、磁石の磁極領域間
の境界線１９がＣ形コア１１のエッジに到達するまで、
運動方向内の磁石アッセンブリの位置に無関係に発生す
る。

【０００８】図３は、図１及び２に示すトランスジュー
サーの理想的な等価電気回路モデルを示す。このモデル
は、トランスジューサー３０、抵抗３１、インダクタン
ス３２、及びコンデンサ３３を具備する。インダクタン
ス３２及びコンデンサ３３は、トランスジューサーの帯
域幅を制限する要素として見なされる。

【０００９】図１に示すトランスジューサーの最大帯域
幅は次式により示される。

【００１０】

【数２】ここでω_Bは最大帯域幅、Ｂ_mは永久磁石１５及び１６
により発生する残存、つまり定在のインダクション、ｈ
は永久磁石アッセンブのリピ−ク・ツー・ピーク(peak-
to-peak)の行程、ｄ_mは永久磁石１５及び１６の密度、
そしてμ_mは磁石１５及び１６の透磁率である。この最
大帯域幅を達成するために、磁石１５と１６、及び支持
部１７で構成される可動永久磁石アッセンブリと、Ｃ形
状コア１１の間の隙間は極小で、磁力線漏れはなく、そ
して永久磁石アッセンブリの質量は単に２つの逆極性長
方形磁石領域１５及び１６から構成される。つまり、支
持三脚及びコーンの質量は磁石に比べ無視できるほど小
さい。

【００１１】可動磁石１５及び１６の最小質量は、トラ
ンスジューサーによって発生される（又は供給される）
機械的ワークにより定義される。質量は次のように示さ
れる。

【００１２】

【数３】ここでｆ_maxは永久磁石アッセンブリ１７により生じる
最大力、及びＨ_mは永久磁石１５及び１６本体の最大磁
界、Ｍ_mは可動磁石１６及び１５の質量である。図４
はコア１１内のギャップ１４の一部分を示す。磁石の厚
みはｔ_mとして定義されている。Ｃ形状コア１１内のギ
ャップ１４の総合厚みはｔ_m＋ｔ_aであり、ｔ_aはＣ形
状コア１１と、磁石１５及び１６の間の空間幅である。
コイル１２及び１３の中心間距離はｔ_cである。インダ
クタ３２に蓄えられた誘導エネルギは磁石の規模に依存
し、従ってその機械的細工に依存する。インダクタ３２
に蓄えられる最大誘導性エネルギは最大力のときに発生
する。

【００１３】

【数４】ここでＶ_mは磁石１５及び１６の体積で、μ₀は空気の
透磁率である。

【００１４】トランスジューサーの帯域幅を最大にする
ために、この蓄えられる誘導性エネルギを最小に押さえ
なければならない。これは、空気ギャップ幅ｔ_aを極小
にすることで達成される。永久磁石アッセンブリを全て
の動作条件及び環境的条件の下で中心に維持できる２３
及び２４などの精密サスペンション要素を使用して、空
気ギャップ幅は最小にできる。スピーカの駆動のような
応用において、そのサスペンションシステムは静的摩擦
を示してはならない。なぜなら、そのような摩擦は非線
形で、音響的歪みを発生するからである。サスペンショ
ン要素２３及び２４を磁石アッセンブリの端部に各々配
置することにより、中心合わせは正確で理想的なものと
なり、永久磁石アッセンブリとＣ形状コア１１の間に発
生する運動方向に対して直交する力に対抗できる。これ
ら直交する力は”クラッシュ力(crashing forces) ”と
呼ばれる。クラッシュ力は、Ｃ形状コア１１のギャップ
１４の中心に磁石アッセンブリが完全に位置するように
トランスジューサーが作られたならば零である。しか
し、不完全な中心位置となる実際のアッセンブリでは、
クラッシュ力が存在する。さらに、クラッシュ力は完全
中心から変位している程度に比例して増加する。事実、
磁力は、ネガティブなスプリング特性を示し、この特性
により、ギャップ１４周辺で近い方の極面に向かう力が
発生する。実験的構造において、このネガティブなスプ
リング力は、２５０，０００Ｎ／ｍと測定された。完全
中心からのオフセットはわずか０．０００１ｍであるか
ら、力の絶対値は小さく、一般に約２５Ｎである。サス
ペンションは、トランスジューサーの寿命を通して、１
２．５Ｎの継続負荷で、０．０５mm以内の中心合わせ精
度を維持できるのが望ましい。

【００１５】コイル中心間の空間ｔ_cが、インダクタン
スを最小にするために重要であることも発見された。実
験的なトランスジューサーでは、インダクタンスはコイ
ル空間を極小にできないとき、２の因数以上で増加され
ることが発見された。従って、コイル１２及び１３は実
用上できる限りギャップ１４と同じくらい接近して配置
され、多層巻線を具備でき、更に所望の抵抗値を維持し
ながら、与えられたｔ_c及び巻き数に対する結果的イン
ダクタンスが減少される。

【００１６】本発明の他の特徴は、スピーカ駆動に応用
されるとき、その構造が４チャンネルステレオ、又は他
のアナログ多チャンネル入力信号を結合するのに使用で
きることで、例えば左チャンネル信号をコイル１２へ供
給し、右チャンネル信号をコイル１３に供給することに
より、サブウーファーとしてこのトランスジューサーを
使用するシステムに適したモノラル再生を実現できる。
トランスジューサーによって生じた力は、左チャンネル
と右チャンネル信号を加算したものに比例する。

【００１７】図５は図１のトランスジューサーをタンデ
ムに２つ使用して、増加した力を発生する本発明の他の
実施例の斜視図である。図６は図５のトランスジューサ
ーを具備するスピーカドライバの軸方向断面図である。

【００１８】図７は両側の７１６のような固定部材によ
り互いに結合されたＵ形状コア１１´及び１１”を使用
する本発明の他の実施例を示す斜視図である。図８は図
７に示すトランスジューサーを組み込んだスピーカドラ
イバの軸方向断面図である。図９は固定部材４１´によ
り互いに保持されたＵ形状コア１１´及び１１”を使用
した本発明の他の実施例を示す斜視図で、永久磁石アッ
センブリは平行に配置され支持部１７´により保持され
る。図１０は図９のトランスジューサーを具備するスピ
ーカドライバの軸方向断面図である。

【００１９】図１１は、８の字形コア１１”の構造を採
用する本発明の他の実施例を示す斜視図で、中心交差部
材１１”´Ｃ内にギャップを有する。図１２は図１１の
トランスジューサーを具備するスピーカドライバの軸方
向断面図である。

【００２０】この発明の他の特徴は、アクティブフィー
ドバック及びスイッチングアンプの新しい応用である。
熱的エネルギ損失をできる限り効果的に押さえたスピー
カ・モータを提供することが望まれる。この特徴を達成
することは、ドライバの所望帯域幅に対する平坦な周波
数応答を得ることが難しくなる。広い周波数帯域にわた
り、ドライバを含むエンクロージャーは、スピーカモー
タに対して変化する機械的負荷を示す。この変化する機
械的負荷を、比較的滑らかな結果的周波数応答を維持し
ながら、スピーカモータにより駆動するのが望ましい。

【００２１】従来の方法では、所望帯域幅にわたって滑
らかな音響的応答を示すスピーカモータのパラメータが
選ばれた。一般にこれらのパラメータにより、スピーカ
モータは高い熱的ストレスを受け、このストレスはスピ
ーカエンクロージャーシステムの音響的性能に制限を与
える。アクティブフィードバックを用いることにより、
所望される音響的応答（システム調整）が、スピーカモ
ータのパラメータを妥協せずに達成できることが発見さ
れた。

【００２２】図１３は、従来のスピーカ及びその駆動部
の理想的な電気モデルである。入力１０１での再生され
る電気的音響信号は、アンプ１０２を駆動し、増幅され
た音響信号が提供される。この増幅信号はトランスジュ
ーサーの入力端子１１５に入力される。電流は抵抗１０
３及びスピーカモータのインダクタンス１０４を流れ、
トランス１０５を介してコーンの機械的運動に結合され
る。スピーカモータの運動質量はコンデンサ１０６とし
てモデル化され、コーンからエンクロージャー１０８へ
の結合はコーン領域のトランス１０７を介して行われ
る。負荷モデルの音響エンクロージャー１０８とコーン
領域のトランス１０７を結合して、等価インピーダンス
Ｚ´１１４を仮定するのが便利である。

【００２３】

【数５】ここでＺは音響エンクロージャー１０８によって示され
っるインピーダンス。Ａｓは有効のコーンつまりダイア
フラム面積である。等価インピーダンスＺ´１１４によ
り特徴付けられる与えられた音響エンクロージャー、及
びコーン面積に関して、δλ／δｘ、Ｍ_s、Ｌ及びＲ
は、所望周波数応答が、選択された周波数帯域で発生す
るように選ばれる。入力電圧ｖから出力本体の速度Ｖに
関する関数は、

【数６】ここでＬはインダクタンス、Ｒは抵抗値、Ｍ_sはスピー
カの総合運動質量、ｓはｊω（ωは周波数の２π倍）、
δλ／δｘは力係数、Ｇはゲインである。この等式はシ
ステムの応答に関するモータパラメータの影響を完全に
説明している。なぜなら、音響負荷Ｚ´１１４はスピー
カモータには関係しないからである。

【００２４】スピーカモータの効率βは、機械的な力の
生成とこの力を発生するときに生じる熱損失の比として
表すことができる。

【００２５】

【数７】ここでｉはインダクタ−１０４を流れる電流、δλ／δ
ｘは力結合係数１０５、及びＲは抵抗値１０３である。
熱的には、βをできる限り大きくするのが望ましい。し
かし、式（５）が式（６）内の比を示すβで置き換えら
れ、修正されるならば、

【数８】この結果的等式は、スピーカモータの効率βはスピーカ
の音響応答に影響することを示す。

【００２６】特定帯域幅に対する比較的滑らかな周波数
応答を達成するための従来の方法は、βに関する値を最
適効率以下に選択したものである。

【００２７】図１４は図１３の等価回路モデルにおける
３つの異なるβによる代表的な周波数応答を示すグラフ
である。βの小さい値に対して、応答は鋭いピークを示
し、これは理想的応答より少ない結果になる。スピーカ
モータのパラメータβが増加するにつれ、滑らかな応答
部分が増加する。しかし、βが更に高い効率値に増加す
ると、滑らかな応答部分は減少する。βの中間的妥協値
は、入力エネルギを音響エネルギに変換するときの効率
が低くなり、スピーカモータの熱が上昇する。線形電力
アンプを高いβのモータと共に使用できる。このような
場合、周波数応答を改善するためにイコライゼーション
(equalization)を使用できる。ある程度の電力消費がス
ピーカからアンプに移動し、イコライズされた周波数応
答はスピーカパラメータ内の変化に感度を有する。

【００２８】本発明の特徴によれば、米国特許Ｎｏｓ．
３，２９４，９８１及び４，４５６，８７２の様なスイ
ッチドモード(switched mode)のアンプによるモータ駆
動は、本明細書に参考例として含まれており、アクティ
ブフィードバックを使用することで、システムの音響的
所望性能を維持しながら、高いβのモータを使用でき
る。

【００２９】図１５はこの発明によるアクティブ音響シ
ステムの電気回路モデルを示す。入力２０１の入力信号
は、アンプ２０２を駆動して、結合器２０３の１つの入
力が増幅される。ライン２１５上の結合器２０３の出力
は制御される電流源２０４を駆動する。結合器２０３の
他の入力は、所望の音響応答を達成するために選択され
る速度フィードバック信号２０９及び加速フィードバッ
ク信号２１０を受信する。入力ライン２０１から、トラ
ンス２０５の第２巻線２１４の出力までの伝達関数は、

【数９】ここでＭ´_sはスピーカの総合運動質量、Ｋ_iは電圧か
ら電流へのゲイン、Ｋ_mは加速フィードバックゲイン、
Ｋ_Bは速度フィードバックゲイン、

【数１０】及びＫは電圧ゲインである。図１３の従来の零インダク
タンスを有するモデルでは、入力１０１からインピーダ
ンスＺ´１１４までの伝達関数は、

【数１１】従来と同様なスピーカモータ、及び次式に示す特性の電
流アンプ２０４に関する電圧から電流へのゲインＫ_iが
与えられると、

【数１２】

【数１３】

【数１４】伝達関数式（８）は、式（９）と全く同じものとなる。
この関係は、図１３の従来システムと同じ音響的応答
は、図１５に示す本発明によるアクティブシステムによ
り実現できることを意味する。式（９）と（８）を比較
することにより、式（８）から得られる次の項目

【数１５】は、システムの音響的応答に及ぼす影響に関して、式
（９）のβに等しい。

【００３０】しかし、アクティブシステムの実際の効率
はまだ、

【数１６】であり、これは抵抗Ｒを小さくすることにより、所望応
答に影響しないで、非常に大きな値にできる。この結果
は、式（１３）がこの発明によるアクティブシステムの
有効システムβであることを意味する。

【００３１】

【数１７】アクティブシステムのスピーカモータの質量Ｍ´_sの運
動質量２０６に対しても同一の条件が当てはまる。この
結果、有効なシステム運動質量として、

【数１８】ここで実際の運動質量は次式により示される。

【００３２】

【数１９】これらのパラメータβ_effective及びＭ
_{s effective}は、Ｋ_B及びＫ_mを適切に選択することに
より各々別々に合成される。図１６はＫ_Bのシステム音
響応答に及ぼす影響を説明するための周波数応答を示す
グラフである。Ｋ_Bが小さければ、応答は鋭いピークを
有する。Ｋ_Bが減少するにつれ、応答は所望の平坦応答
に近付く。この発明の隠された特徴は、β
_effective（見掛け上の効率）がＫ_Bにより決定される
一方で、実際のβ（真のスピーカモータ効率）は変化せ
ず、抵抗Ｒを小さくすることにより、非常に高い値にで
きることである。抵抗が小さければ、熱損失も小さく、
従ってこの発明によるアクティブシステムは、選択され
た帯域幅で望ましい滑らかな周波数応答を提供しなが
ら、更に効果的に電気エネルギを音響的エネルギに変換
できる。

【００３３】図１７は周波数応答を示すグラフで、Ｋ_m
は大きな実際運動質量を有するスピーカに対する音響的
応答を示す。Ｋ_mの増加に伴って、システムは、更に少
ない有効運動質量であるかのように動作し、従ってより
高い上部１／２電力周波数を達成でき、その帯域の上限
周波数を伸ばすことができる。安定性に関する理由か
ら、有効運動質量は常にポジティブにするのが望まし
い。

【００３４】図１８は本発明による他の実施例を示し、
二次側３２０を介して速度Ｖ_sに比例する信号を、モー
タコア上のセンスコイル３２３により測定されるバック
電圧から抽出する。センスコイル３２３はモータコア内
の磁束変化を測定する。この磁束はインダクタ３１５に
蓄えられた誘導エネルギと、二次側３２０を介したモー
タ速度Ｖ_sとの関数である。インダクタンス３１５の電
圧に依存するライン３２３上のセンスされた電圧の成分
は、インダクタ３１５を流れる電流の時間微分に比例
し、微分器３０９により提供される信号で減算すること
により除去される。従ってスピーカモータの二次側３２
０を介した速度Ｖ_sはライン３１９上の結合器３１０の
出力から使用でき、この出力はトランス３０５の巻き数
比に対応する力係数δλ／δｘにより拡大または縮小さ
れている。ネットワーク３１２及び３１１が、力係数δ
λ／δｘをとり入れて、有効β及び有効運動質量の合成
のために各々選択される。入力３０１から二次側３２０
の出力へのシステムの伝達関数は、式（８）と全く同一
である。

【００３５】図１５及び１８に示す実施例には、電圧制
御電流源２０４及び３０４が各々設けられている。電流
制御スイッチングパワーアンプを、電圧制御電流源を組
み込むときに使用して、スピーカモータに関する誘導性
成分の影響を効果的に除去できる。スイッチングパワー
アンプは、２つの電位間をスイッチするものであり、こ
の２つの電位の１つは所望平均出力電圧より大きな電圧
で、第２の電位は所望平均出力電圧より小さい電圧であ
る。他の方法は３つの電位を提供することである。即
ち、前述の２つの電位と、第３の電位はほぼ零に等しい
電位である。このような方法は米国特許Ｎｏ．４，０２
０，３６１に説明されている。２つの電位による方法と
３つの電位による方法の両方は、電気的エネルギを非常
に効果的に実用出力に変換する。抵抗２１６及び３１４
が小さい値に設定されると、β_realは大きく、スイッチ
ングアンプを使用することで、極めて効率的な音声再生
システムを製作できる。アクティブフィードバックを有
する電気的駆動システムとスピーカドライバを組み合わ
せて使用することにより、高い効率で所望周波数応答を
示す音響システムを実現できる。

【００３６】図１９は本発明の他の実施例で、これは電
圧制御電圧源を使用している。この実施例で、音響シス
テムの応答に及ぼすスピーカモータのインダクタンス４
１０の影響は、ゲインＫ_Lの微分ネットワーク４０７、
４０８、４１８を流れるモータ電流の微分に比例する信
号をフィードバックすることにより除去できる。抵抗４
０９は、スピーカモータ内の熱損失を減少するために、
小さい値に設定される。フィードバックネットワーク４
１７にゲインＫ_Rを与えることにより、音響応答に及ぼ
す抵抗４０９の減少による影響は打ち消される。ライン
４０１上の入力と二次側４１４（Ｋ_Vは大きいと仮定す
る）の出力間の伝達関数は、

【数２０】式１８における項

【数２１】は音響システムの有効インダクタンスである。この特徴
によって、微分ネットワーク４１８のゲインＫ_Lを適切
に選択することにより、有効インダクタンスを合成でき
る。式（１８）内の項

【数２２】はシステムの有効βの逆数である。小さい値の抵抗Ｒ、
及びその結果の小さい熱損失に関して、フィードバック
ネットワークの値Ｋ_Rを調節することにより、この音響
システムの所望周波数応答を達成できる。この結果は大
きな値の実βを維持しながら、有効βを合成するのと同
じことである。この構成により、所望システム周波数応
答を維持しながら、大きなインダクタンス及び大きなβ
のスピーカモータを使用できる。スイッチングアンプも
このシステムに使用できる。

【００３７】電圧制御電圧源４０６及び積分器４０４
は、電圧制御スイッチングアンプのシステム動作を示す
モデルとなる。電圧は３電位又は２電位のスイッチング
アンプとして前述のように供給できる。スイッチングア
ンプは電気エネルギの変換において非常に効率的に製作
でき、この発明による大きなβのスピーカモータ及びフ
ィードバックシステムを組み合わせて、音声再生システ
ムの効率は総合的に非常に高い。図２０はこの発明によ
るトランスジューサーの簡単な電気的モデルの概略図で
ある。要素Ｒ２００１はコイル１２及び１３の抵抗を
示し、Ｌ２００２はコイル１２及び１３のインダクタ
ンス、（δλ／δｘ）２００３は電気的カップリング、
及びＭ２００４はトランスジューサーの運動質量であ
る。このモデルはトランスジューサーの帯域幅を決定す
るときに役立つ。

【００３８】このモデルの特性式は、

【数２３】そして、この二次方程式を解くことにより、電気・機械
的システムの重要な値（極）が得られる。

【００３９】

【数２４】

【数２５】周波数帯域をｓ₁とｓ₂の幾何学平均として定義すると
便利である。

【００４０】

【数２６】この式はトランスジューサーの理想的な条件における周
波数帯域幅に関する上限を定義する。

【００４１】図２１は理想的な条件における最小インダ
クタンスＬ_min及び質量Ｍ_minを判断するときに役立つ
トランスジューサーを示す。

【００４２】

【数２７】

【数２８】ここでＮは巻き数、 ωは角速度、ラジアン／秒ｈは磁石の高さ、メータ、 μ_mは磁石材料の透磁率、ヘンリー／メータｔ_mは磁石の厚さ、メータｄ_mは磁石材料の密度、Kg/m3 最大の（δλ／δｘ）は理想的な条件の下で、

【数２９】式２４内のパラメータを置換することにより、図２１の
トランスジューサーの理想的な条件の下での最大周波数
帯域幅（ラジアン／秒）、Ｂ．Ｗ．_maxが求まる。

【００４３】

【数３０】スピーカトランスジューサーは与えられた最大音圧レベ
ル（ラウドネス）に関する所望帯域幅について、最大体
積変移(maximum volume displacement) Ｖ_maxを発生す
る。この最大体積変移は、モータのピーク・ツーピーク
変位とスピーカダイアフラムの有効面積の積で表現でき
る。

【００４４】

【数３１】ここでＡｓはスピーカダイアフラムの有効面積である。
与えられたスピーカとエンクロージャーの組み合わせ
で、最大面積変移Ｖ_maxは一定なので、式２８はこの制
限を説明するために表現できる。

【００４５】

【数３２】この式は、スピーカのトランスジューサーが固定Ｖ_max
を発生すると予想されると、コーン面積の増加により帯
域幅が増加されることを示す。この特徴は従来の可動コ
イルスピーカモータについてもいえるが、この結果的利
点を使用する可動コイル形スピーカでは、その磁石構造
体は高い音圧レベル（ＳＰＬ）のバスの再生には余りに
も大きすぎる。この発明によるスピーカトランスジュー
サーは又、この結果的利点を実際的な形で利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す斜視図。

【図２】本発明によるスピーカドライバの軸方向断面
図。

【図３】本発明によるトランスジューサーに適用される
回路の等価回路。

【図４】図１のトランスジューサーのギャップを示す部
分断面図。

【図５】本発明の他の実施例を示す斜視図で、２つの平
行Ｃ形コアを有するトランスジューサーを含んでいる。

【図６】図５のトランスジューサーを含むスピーカドラ
イバの軸方向断面図。

【図７】本発明の他の実施例を示す斜視図で、一対のコ
アを具備しており、これらのコアはその足部端の間に位
置する一対のギャップを互いに定義している。

【図８】図７のトランスジューサーを具備するスピーカ
ドライバの断面図。

【図９】本発明の他の実施例を示す斜視図で、Ｕ形コア
を具備しており、これらコアは、平行に設けられる一対
の磁気透過性部材により各ギャップを所定の関係に位置
させることでギャップを定義している。

【図１０】図９のトランスジューサーを具備するスピー
カドライバの軸方向断面図。

【図１１】本発明による他の実施例を示す斜視図で、８
の字形コアを使用しており、ギャップは中心棒材の間に
ある。

【図１２】図１１のトランスジューサーを使用するスピ
ーカドライバの軸方向断面図。

【図１３】従来装置の等価回路。

【図１４】本発明によるスピーカドライバに関する代表
的周波数応答を示すグラフ。

【図１５】本発明によるシステムの結合された略回路ブ
ロック図で、この発明によるトランスジューサーを具備
している。

【図１６】図１５のシステムより得られる周波数応答を
示すグラフで、変数Ｋ_Bによる影響を示す。

【図１７】周波数応答を示すグラフで、変化するパラメ
ータＫ_mの影響が示されている。

【図１８】本発明による他のシステムを示す結合された
略回路ブロック図。

【図１９】本発明による更に他のシステムを示す略回路
ブロック図。

【図２０】本発明によるトランスジューサーの簡単な電
気・機械的モデルを示す図。

【図２１】本発明によるトランスジューサーを解析する
ときに参照する図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トランスジューサーにおいて、ギャップを有する低い磁気抵抗材料のコアと、前記ギャップに近接する前記コア部分に巻かれる少なく
とも一つのコイルと、前記空気ギャップ内に設けられ、実質的に前記ギャップ
を充填する永久磁石アッセンブリと、ここで前記永久磁
石アッセンブリは前記コアとは接触しておらず、この永
久磁石アッセンブリと前記コア間の相対運動を可能とす
るように支持され、を具備することを特徴とするトランスジューサー。
【請求項２】前記コアはＣ形状であることを特徴とす
る請求項１記載のトランスジューサー。
【請求項３】前記コアは８の字形状であることを特徴
とする請求項１記載のトランスジューサー。
【請求項４】前記コアはＵ形状であることを特徴とす
る請求項１記載のトランスジューサー。
【請求項５】第１及び第２端部を有するフレームと、前記第２端部に設けられる第１サスペンション要素と、第２サスペンション要素と、を更に具備し、前記永久磁石アッセンブリは前記第１及び第２サスペン
ション要素間に接続されることを特徴とする請求項１記
載のトランスジューサー。
【請求項６】前記第１及び第２サスペンション要素
と、前記永久磁石アッセンブリは前記フレームに搭載さ
れることを特徴とする請求項５記載のトランスジューサ
ー。
【請求項７】前記永久磁石は、第１及び第２の近接す
る永久磁石要素を具備し、これら磁石要素は、前記コア
の対向する面間の実質的に中央に、異なる磁極を近接さ
せて設けられることを特徴とする請求項１記載のトラン
スジューサー。
【請求項８】前記永久磁石アッセンブリに接続される
スピーカダイアフラムを更に具備することを特徴とする
請求項１記載のトランスジューサー。
【請求項９】前記永久磁石に接続されるスピーカダイ
アフラムを更に具備し、前記第１及び第２サスペンショ
ン要素は三脚形状であることを特徴とする請求項５記載
のトランスジューサー。
【請求項１０】信号入力、フィードバック入力、及び
前記信号入力と前記フィードバック入力を結合した信号
が発生される結合器出力を有する結合器と、前記結合器の出力に接続される入力と一つの信号出力を
有する制御信号源であって、前記信号出力は前記制御信
号源の入力信号に対応する制御信号を提供し、前記制御信号源は前記コイルの少なくとも一つに接続さ
れ、前記トランスジューサーと前記結合器のフィードバック
入力を内部結合するフィードバック回路と、を更に具備することを特徴とする請求項１記載のトラン
スジューサー。
【請求項１１】前記フィードバック回路は、前記永久
磁石アッセンブリの速度または加速度に対応するフィー
ドバック信号を供給することを特徴とする請求項１０記
載のトランスジューサー。
【請求項１２】前記フィードバック回路は、前記速度に対応する速度信号を発生する信号源と、前記制御信号源により供給される信号の時間微分に比例
する微分信号を提供する微分器と、前記微分信号を受信する微分入力と、前記速度信号を受
信する速度入力と、前記速度と微分入力信号を結合した
値を拡大又は縮小した速度信号を提供する出力とを有す
る入力結合器と、前記入力結合器の出力に接続される入力と、有効ベータ
信号を供給する出力を有する有効ベータネットワーク
と、前記入力結合器の出力に接続される入力と、有効運動質
量信号を供給する出力を有する有効運動質量ネットワー
クと、前記有効ベータネットワークの出力に接続される有効ベ
ータ入力と、前記有効運動質量ネットワークの出力に接
続される有効運動質量入力と、前記有効ベータ入力と前
記有効運動質量入力の入力信号に対応する信号を供給
し、前記結合器のフィードバック入力に接続される出力
結合器と、を具備することを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１３】前記制御信号源は制御電圧源であるこ
とを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１４】前記制御信号源は制御電流源であるこ
とを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１５】前記制御信号源はスイッチングアンプ
であることを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１６】前記制御信号源は線形アンプであるこ
とを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１７】前記制御信号源は電流制御マルチステ
ート変調アンプであることを特徴とする請求項１５記載
の装置。
【請求項１８】前記制御信号源は電圧制御マルチステ
ート変調アンプであることを特徴とする請求項１５記載
の装置。
【請求項１９】前記ギャップに近接し且つ前記ギャッ
プの対向する２つの側の前記コアに巻かれる第１及び第
２コイルを有することを特徴とする請求項１記載のトラ
ンスジューサー。
【請求項２０】動作周波数範囲内で前記トランスジュ
ーサーの周波数応答における不均一性を減少し、前記ト
ランスジューサーと共に動作するイコライザー回路を更
に具備することを特徴とする請求項１６記載の装置。
【請求項２１】前記フィードバック回路は、前記トランスジューサーと前記結合器を相互結合し、前
記コイルの少なくとも一つを流れる電流に比例するフィ
ードバック信号を供給するように構成される微分器ネッ
トワークと、前記トランスジューサーと前記結合器を相互接続し、前
記コイルの少なくとも一つの抵抗による影響を減少する
ためのフィードバック信号を提供するように構成される
抵抗検知ネットワークと、を具備することを特徴とする請求項１３記載の装置。
【請求項２２】前記トランスジューサーの動作周波数
帯域は、【数１】のオーダーの帯域幅を有する基本周波数帯域内にあるこ
とを特徴とする請求項１記載のトランスジューサー。
【請求項２３】前記トランスジューサーは前記永久磁
石アッセンブリ両端部に各々接続される第１及び第２サ
スペンション要素を更に具備し、前記スピーカダイアフラムと前記サスペンション要素の
合成質量は前記永久磁石アッセンブリの質量の２倍を越
えることはなく、前記トランスジューサーは、前記ギャップ内に蓄えられ
た磁気エネルギに起因するインダクタンスの少なくとも
１／３のインダクタンスを有するコイルを具備すること
を特徴とする請求項８記載のトランスジューサー。
【請求項２４】前記永久磁石アッセンブリの前記質量
は少なくとも１０グラムであることを特徴とする請求項
８記載のトランスジューサー。
【請求項２５】前記ダイアグラムの面積は０．０１５
ｍ²以上であることを特徴とする請求項２４記載のトラ
ンスジューサー。
【請求項２６】前記コイルの少なくとも一つに接続さ
れるアンプと、ここで前記アンプはポジティブな抵抗及
びネガティブなインダクタンスの少なくとも一方によっ
て特徴付けられる出力インピーダンスを有し、前記ポジティブな抵抗は少なくとも一つの前記コイルの
抵抗値の少なくとも１／５であることを特徴とする請求
項１記載のトランスジューサー。
【請求項２７】前記アンプはスイッチングアンプであ
ることを特徴とする請求項２６記載の装置。
【請求項２８】前記ネガティブなインダクタンスの値
は少なくとも前記一つのコイルのインダクタンスの少な
くとも１／２であることを特徴とする請求項２６記載の
装置。