KR20040078154A - 트랜스듀서 모터/발전기 조립체 - Google Patents

Abstract

전자기 트랜스듀서는 자석조립체(50)와 도전 구동코일(52)을 갖는다. 자석조립체는 자기장을 형성하고, 그 안에 구동코일이 위치한다. 구동코일은 와셔형 코일로서, 그 폭은 높이와 같거나 크다. 조립되었을 때 구동코일과 자석조립체 사이에 상대운동이 일어나도록 구동코일을 자석조립체 가까이 배치한다. 일 실시예에서, 자석조립체는 두개의 디스크형 영구자석(64,66)을 포함하고, 이들 자석은 축방향으로 자화되며 같은 극끼리 서로 마주보게 배치되어 방사상 자기장을 형성한다. 다른 실시예에서, 자석조립체는 축방향으로 자화된 와셔형 영구자석(64,66)을 포함하되, 마찬가지로 같은 극끼리 서로 마주보게 배치한다.

Description

트랜스듀서 모터/발전기 조립체{TRANSDUCER MOTOR/GENERATOR ASSEMBLY}

여러가지 형태의 트랜스듀서가 알려져있다. 한가지는 William N. House의 미국특허 5,142,260에 제시된 것으로서 도 1에 도시되어 있다. 이런 트랜스듀서는 축방향으로 자화되어 자기장이 서로 반대방향인 두개의 자기디스크(12,14)가 서로 정렬되어 있는 자기회로 구성(10)을 갖는다. 철이나 비철 물질의 스페이서(16)를 자석들(12,14) 사이에 배치하여 자기장의 제어를 보조한다. 축방향 양쪽으로 정렬되어 있어, 자속선(18)은 서로 마주보는 자극(20,22)에서 나와 자석들(12,14) 사이의 영역(24)에서는 방사상으로 확장한다. 이런 종래의 구조는 두가지 기능, 즉 외측면(26) 부근에서는 단위면적당 자속선의 수를 증가시키고, 자속선(18)을 축선(28)에 직각인 경로를 따라가게 하는바, 구조(10)에서 나오는 모든 자속선(18)은 축선(28)에 직각이고 축선을 따라 원통형 도체(30)에서 힘을 최대화한다. 그러나, 상기 특허에서 언급한 바와 같이, 자속선의 일부는 축선에 직각이 아니다. 전류가 흐르는 도체(30)가 중앙구역(A)에서 자석의 중앙구역(C)까지 축방향으로 움직이면, 축선(38)에 평행한 방향으로 도체(30)에 작용하는 순간적인 힘이 각도의 함수로서 제로까지 감소한다. 이렇게 되면 상기 특허에서 언급한 "역전장" 현상이 생긴다. 역전장은 도 1의 구조(10)와 같은 무궤환 구조에서 생기는 문제점들중 하나이다. 따라서, 코일(30)의 선형운동은 축선 길이중 짧은 부분에서만 일어난다.

미국특허 5,142,260에서는 이런 문제를 감안하여, 종래의 조립체의 대향 자석들 사이에 방사상 자석 및/또는 스페이서를 하나 이상 추가로 배치했다. 방사상 자석의 외측 자극들은 마주보는 자극과 같은 극성을 띤다. 방사상 자석에서 나오는 자속선들은 축방향 자석의 자기장에 의해 반전되어 축에 수직인 방향으로 확장한다. 방사상 자석의 자속선들은 축방향 자석의 반대 자극들로 들어간다. 이 특허에 의하면, 구조적으로 전체 자속이 증가된다.

미국특허 5,142,260의 장치도 여전히 많은 문제점을 갖는다. 이 특허에서는 코일/자기장의 상호작용 거리를 늘리고 코일와이어를 가능한한 자석 가까이 배치하여 코일 성능의 향상을 도모한 것으로 보인다. 이 과정중에, 코일과 확장 자기장의 자속선들 모두 길어진다. 이렇게 되면 시스템의 중량과 복잡성이 커지고 코일에 작용하는 힘이 증가하여, 코일이 왕복 진동할 때 자기장에 대한 코일의 반응이 비선형적으로 된다. 일반적으로, 이런 시스템은 구동 원통을 증가된 자기장 사이즈에 효과적으로 작동시키기 위해 많은 권선을 필요로 하므로 효과적이지 않다. 또, 과열되어 냉각이 필요할 수 있고, 사용중에 여러가지 신호왜곡을 겪을 수도 있다. 요컨대, 이런 문제로 인해 상기 특허는 비효과적이고, 무거우며 제작비가 비싸다.

이런 문제점을 감안하여, 왕복거리를 제한하고 상대적으로 평탄한 트랜스듀서를 고안하는 시도가 있었다. 예를 들어, Sakamoto의 미국특허 5,668,886에서는 두개의 자석을 자극들을 서로 마주보게 고정한 확성기를 설명하고 있다. 철로 된 중앙판을 두개의 자석 사이에 삽입한다. 이들 자석과 중앙판 둘레에 원통형 보이스코일을 설치한다. 보이스코일 외부에 격막을 옆으로 설치한다. '886의 장치는 종래의 다이나믹 트랜스듀서와 비슷하지만, 하나의 방사상 확장 자기장을 형성하는데 철로된 중앙판을 이용하는 점에서 틀리다. '886의 장치도 여전히 비교적 무겁고 기다란 원통형 구동코일은 가까운 거리에서 자기장과 작용해야 한다.

Sato의 미국특허 5,764,784에서는 평평한 케이싱 내측면에 디스크자석을 하나만 고정했다. 케이싱 내부에서 격막은 자석에서 떨어져 있다. 비교적 짧은 중공 원통형 구동코일을 자석과 동축으로 격막 양쪽면에 고정한다. '784의 발명에 의하면, 파워소모가 감소되고 두께가 작아지며 효율이 증가한다고 한다. 그러나, '784의 장치에서는, 격막이 움직일 수 있는 길이가 제한되는데, 이는 입력신호의 강도가 충분할 경우 격막이 급속하게 자석 표면에 부딪치기 때문이다. 또, '784의 구동코일은 왕복길이를 통해 대칭 자기장에 전체가 잠기지 않는다. 이렇게 되면 신호의 순도에 영향을 주고 신호왜곡의 원인이 될 수 있다.

Hansen의 미국특허 5,905,805에서는 중앙 격막이 원형인 트랜스듀서를 설명한다. 평평한 구동코일을 격막 한쪽면에 형성한다. 대향하는 원통형 자석쌍을 제공하되, 한쪽 자석은 격막 양쪽면에서 떨어져 있다. 이들 자석은 같은 극끼리 서로 마주보게 하여 서로 반발하는 구성이다. 이렇게 되면 방사상으로 발산하는 자기장이 생긴다. '784의 장치와 마찬가지로, '805의 장치는 원통형 자석들중 하나에 격막이 부딪치므로 격막이 움직일 수 있는 거리가 제한된다. 이런 디자인은 코일 권선과 자기장 사이의 상호작용 정도가 상대적으로 적은 문제가 있다.

따라서, 전술한 문제점들을 해결하는 트랜스듀서가 필요하다. 이상적으로, 이런 트랜스듀서는 높이가 낮고 경량일 것이다. 구동코일은 자기장과 효과적으로 상호작용하여 큰 주파수범위에서 선형도가 큰 반응을 일으킨다. 또, 이런 개선된 트랜스듀서는 과열되지 않아 냉각이 불필요하므로, 작동중 내내 훨씬 높고 일정한 파워 출력을 유지할 것이다. 마찬가지로, 단위중량당 파워출력이 높을 뿐만 아니라 코일의 왕복거리도 길어질 것이다.

본 발명은 전기자기적으로 동작하는 스위치, 자석, 전자석에 관한 것으로, 구체적으로는 가동코일과 영구자석조립체를 갖춘 자기기계식 원동장치에 관한 것이다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명한다.

도 1은 종래의 영구자석 모터의 측면도;

도 2는 본 발명에 따른 영구자석 모터의 제1 실시예의 측면도;

도 3은 본 발명에 따라 형성된 구동코일의 제1 실시예의 사시도;

도 4는 도 3의 코일의 단면도;

도 5는 본 발명에 따라 형성된 구동코일의 제2 실시예의 사시도;

도 6은 도 5의 코일의 단면도;

도 7은 본 발명에 따라 형성된 구동코일의 제3 실시예의 사시도;

도 8는 도 7의 코일의 단면도;

도 9는 본 발명에 따라 형성된 구동코일의 제4 실시예의 사시도;

도 10은 도 9의 코일의 단면도;

도 11은 본 발명에 따라 형성된 구동코일의 제5 실시예의 사시도;

도 12는 도 11의 코일의 단면도;

도 13은 본 발명에 따라 형성된 구동코일의 제6 실시예의 사시도;

도 14는 도 13의 코일의 단면도;

도 15는 본 발명에 따라 형성된 트랜스듀서의 다른 예의 단면도;

도 16-18은 본 발명에 따라 형성된 트랜스듀서의 또다른 예의 단면도로서, 스페이서, 엔드캡, 이격 자석 구성을 보여주는 도면들;

도 19-22는 본 발명에 따라 형성된 트랜스듀서의 또다른 예의 단면도로서, 와셔형 자석들을 보여주는 도면들;

도 23-26은 본 발명에 따라 형성된 트랜스듀서의 또다른 예의 단면도로서, 싱글, 다중 자석 구성을 보여주는 도면들;

도 27-33은 본 발명에 따라 형성된 트랜스듀서의 또다른 예의 단면도로서, 각종 와셔형 자석들의 구성을 보여주는 도면들;

도 34-36은 본 발명에 따라 형성된 트랜스듀서의 또다른 예의 단면도로서, 동심의 와셔형 및/또는 디스크 자석들을 보여주는 도면들;

도 37-44는 본 발명에 따라 형성된 트랜스듀서의 또다른 예의 단면도로서, 자석의 모양이 원형이 아닌 것을 보여주는 도면들;

도 45는 본 발명에 따라 형성된 지지수단의 일례의 사시도;

도 46은 본 발명에 따라 형성된 스피커의 일례의 측면도;

도 47-49는 본 발명에 따라 형성된 서라운드의 측면도;

도 50, 51은 본 발명에 따라 형성되고 자석조립체가 움직이는 스피커의 개략적 측면도;

도 52는 지지대를 보여주는 스피커의 평면도;

도 53은 종래의 자석과 원통코일 대신에 삽입되는 본 발명의 트랜스듀서를 각각 갖는 두개의 스피커 조립체의 측면도;

도 54는 이중 트랜스듀서/격막을 갖는 모터/발전기 구성의 측면도;

도 55-57은 본 발명에 따라 형성되고 자석조립체는 고정되며 격막은 움직이는 마이크로폰의 측면도;

도 58은 본 발명에 따라 형성되고 자석조립체가 움직이는 마이크로폰의 측면도;

도 59-61은 본 발명에 따라 형성된 마이크로폰의 다양한 단극구성을 보여주는 측면도;

도 62-64는 지지대의 평면도;

도 65,66은 본 발명에 따라 형성된 두가지 스피커/마이크로폰의 측면도.

발명의 요약

본 발명은 이와 같은 필요성을 구현하기 위한 것이다. 자석조립체와 도전 구동코일을 갖는 전자기 트랜스듀서에 대해 설명한다. 자석조립체는 제1 및 제2 양쪽 외측 자극면을 갖고, 이곳에서 방사상으로 확장하는 자기장을 형성한다. 도전 구동코일은 와셔형 코일로서, 폭이 높이보다 크거나 같게 형성된다. 구동코일은 자석조립체의 확장 자기장에 위치한다. 자석조립체와 구동코일 사이에는 구동코일이 자석조립체에 닿지 않게 하는 틈새가 있다. 구동코일은 왕복경로를 따라 움직이되, 왕복경로의 적어도 일부는 자석조립체의 외측 자극면들 사이에 위치한다. 조립되었을 때, 구동코일과 자석조립체 사이에 상대적인 축방향 운동이 생기도록 구동코일을 자석조립체 가까이 배치한다. 모터로 사용하려면, 코일에 전류를 공급하여 코일과 자석을 서로 상대운동하게 한다. 발전기로 사용하려면, 구동코일을 자석에 대해 외부로부터 물리적으로 움직여 구동코일에 전류를 생기게 한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 자석조립체는 축방향이나 반경방향으로 자화될 수 있다. 또, 자석을 하나 사용할 수도 있고, 또는 여러개의 자석을 같은 극끼리 서로 마주보게 구성할 수도 있다. 일 실시예에서, 자석조립체는 축방향 디스크 자석쌍으로 형성된다. 디스크 자석은 소정 직경을 갖는다. 구동코일의 내경은 디스크자석의 직경보다 커서, 자석 둘레에 구동코일을 배치할 수 있다. 다른 실시예에서, 자석조립체는 두개의 축방향 와셔형 자석들을 포함한다. 와셔형 자석들은 확장형 자기장과 집중형 자기장을 둘다 형성한다. 구동코일은 와셔형이고 이들 자기장들중 어느쪽에도 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 자석조립체의 형상을 아치형, 직사각형 등 다양하게 할 수 있다.

본 발명의 또다른 특징에 의하면, 각종 스피커나 마이크로폰 장치도 구성할 수 있다.

본 발명은 트랜스듀서 모터 및/또는 발전기 조립체에 관한 것으로, 구체적으로는 무궤환 트랜스듀서 조립체의 구조에 관한 것이다. 본 발명은 센서나 발신기와 같이 초음파와 무선 주파수 범위내의 극저주파수에서 소닉장치, 릴레이, 스위치, 오실레이터, 기타 에너지변환장치를 포함한 여러 환경에 사용할 수 있다.

도 2에는 수평면(54)에 형성된 전도체(52)를 왕복운동시키는 영구자석조립체(50)가 있다. 자석조립체는 축방향에 횡으로 뻗는 자기장을 형성한다. 자기장의 방향이 도면에 도시되어 있다. "수직" 방향은 실제로는 수평이거나 기울어질 수 있고, "수평" 방향도 수직이거나 기울어질 수 있다. 전도체(52)는 중간 인터페이스 물질 및/또는 주변의 지지구조 등의 여러가지 수단에 의해 자석조립체(50)의 외측면(56)에서 떨어져 있다. 본 발명에 의하면, 도전구동코일의 총 높이는 코일의 안팎 사이즈의 차로 정의되는 반경폭보다 작거나 같다. 이런 코일을 일반적으로 "와셔형 코일"이라 한다.

도체(52)에 교류전류가 흐르면 도체는 자석조립체(50)의 축방향인 화살표(62) 방향으로 왕복운동한다. 다른 소자들을 구동코일에 설치하면, 이들 소자도 마찬가지로 왕복운동할 수 있다. 이와 같이 구성된 트랜스듀서를 일반적으로 모터라 한다. 한편, 트랜스듀서를 발전기로도 사용할 수 있는데, 이 경우 자석에 대한 코일의 운동에 의해 운동이 전기신호로 변환된다. 트랜스듀서를 발전기로 사용할 경우, 외부의 기계적 진동에 의해 자석의 자기장내에서 코일을 움직인다. 이런 운동은 코일에 전류를 발생시킨다.

도 2를 참조하여 더 자세히 설명하면, 같은 극을 서로 마주보게 하여(즉, S-S 또는 N-N 극 배열로) 두개의 자석을 배치하면 외부로 발산하는 자기장이 생긴다. 도 2의 자석조립체는 두개의 디스크형 영구자석(64,65)으로 이루어지고, 각각의 자석은 축방향으로 자화된다. 자석조립체의 축을 도 2에 72로 표시했다. 같은 극을 서로 마주보게 하면, 두개의 자석이 서로 마주보는 표면에서 방사상으로, 즉 자극면에 평행이고 자축을 가로지르는 방향으로 자속선이 나온다. 따라서, 두개의 자석은 방사상으로 나와 반대쪽 자극으로 들어가는 자속선을 형성한다. 도 2에서, 두개의 디스크 자석들은 서로 반대방향으로 배치되고 자기장이 나오는 곳에서 같은 직경을 갖는다.

다양한 코일 구성이 가능한데, 몇가지 예가 도 3-14에 도시되어 있다. 일반적으로, 구동코일은 와셔 형태로서 높이를 H, 폭을 W라 한다. 코일의 높이는 윗면과 아랫면 사이의 간격으로 정의되고, 코일의 폭은 코일의 내경과 외경의 차이로 정의된다. 예컨대, 원형 구동코일의 경우, 그 폭은 내외경의 차이로 정의된다. 본 발명에 따르면, 코일의 폭은 최소한 코일의 높이와 같다. 이런 이유로, 본 발명의 코일은 일반적으로 "와셔형 코일"로 정의된다.

구동코일은 내경을 중심으로 나선형으로 감긴 와셔형상이 바람직하다. 도 3, 4의 실시예에서, 와이어는 단면이 원형이다. 도 5, 6에서는 단면이 사각형이다. 도 7, 8의 구동코일은 얇은 와이어가 직립해 한층으로 이루어진다. 도 7-10에서, 권선들 사이의 간격은 설명의 편의상 과장되어 표현된 것이다. 많은 경우, 이들 권선은 더 치밀하게 된다. 도 11, 12에는 납작한 와이어가 한번 감겨있다. 도 13, 14에서는 납작한 권선이 여러층 감겨있다. 또, 도 5, 6과 같이 경우에 따라서는 구동코일이 여러층 감겨서 이루어질 수도 있다.

도 9, 10의 구동코일은 평평한 와이어가 직립해서 나선형으로 감긴 것이다. 자기장의 강도는 소스에서 멀어질수록 줄어들기 때문에, 원형 와이어 대신 납작하거나 리본형 와이어를 코일로 사용하면 변환성능이 향상될 수 있다고 본다. 납작한 리본 와이어는 더 많은 수의 권선을 자석 소스에 더 가까이 배치할 수 있기 때문에 구동코일에 더 적합할 수 있다. 와이어를 세워서 옆으로 넓게 감으면 와이어의 높이는 롤 테입 등의 장치의 수직축에 평행하게 된다. 실험에 의하면 높이:폭의 단면비를 3:1로 한 납작한 와이어는 훨씬 우수함이 발견되었다. 수직 축방향의 와이어 높이에서, 가능한 최대 자속선 수가 코일의 권선을 가로지를 수 있다. 경우에 따라서는, 단면비가 4:1이나 8:1인 와이어가 바람직할 수도 있다. 높이대 폭의 단면비가 5:1 이상으로 큰 도전 와이어를 일반적으로 리본 와이어라 한다.

플라스틱과 같은 유전체를 얇게 코팅한 도체합금으로 된 와이어로 코일을 구성할 수도 있다. 경우에 따라서는, 격막이나 기타 지지체에 형성된 평평한 배열로 코일을 구성할 수도 있고, 이 경우 와이어의 넓은 측면을 수평으로 한다. 그러나, 이런 배열은 경우에 따라서는 납작한 와이어를 직립해서 감은 것보다 효율이 떨어질 수 있다.

어느 경우에도, 코일의 전체 높이는 폭과 같거나 작아야 한다. 바람직하기로는, 코일이 여러번 권선되고 그 폭은 높이보다 상당히 큰 것이 좋다. 구동코일은 형상이나 재료 조성 측면에서 다양한 형태의 와이어로 이루어질 수 있다. 재질의 선택은 트랜스듀서의 용도에 맞는 성능특성에 크게 좌우된다. 와이어의 선택은 파워출력, 주파수범위, 장치의 크기와 같은 변수의 영향을 받는다.

특정 용도로 트랜스듀서를 설계할 때, 전체 코일높이는 너무 크지 않아야 하는데, 그렇지 않으면 코일이 자기장을 효과적으로 가로지르지 않아, 트랜스듀서의 무게와 두께를 불필요하게 증가시킬 수 있다.

구동코일은 조립되었을 때 자석 외부에 배치하되 자기장 내부에 위치하여 자기장을 최적으로 가로지르도록 한다. 구동코일은 자석과 동심이고, 코일축이 자석축이다. 코일의 몸체는 소자의 수직축에 직각으로 수평하게 위치한다. 코일이 기본적으로 수평면에 대칭으로 배치되므로, 코일은 두개의 자석 영역들을 측방향으로 분할한다. 따라서, 자석조립체는 수평면을 양쪽으로 대칭이다. 두개의 자석은 각각 서로에 대해 거울상으로 보이고, 코일은 거울면에, 즉 수평면 자체에 위치한다. 수학적으로 보면, 대칭의 중심인 수평면은 방사상 자기장 벡터성분만을 갖고 축방향 성분은 갖지 않는다. 수평면 위아래의 자기장은 방사상 및 축방향 성분들을 모두 갖는다.

자석의 외면을 중심으로 방사상으로 퍼지는 자기장에서, 구동코일의 내경은 자석의 외경보다 약간 크다. 도 2에서 알 수 있듯이, 구동코일과 자석 사이에 좁은 틈새(s)가 있다. 이 틈새(s)는 사용중에 구동코일이 자석에 닿지 않도록 하면서 가능한한 좁은 것이 바람직하다. 예컨대, 일 실시예에서는 틈새(s)가 0.5mm 내지 5.0mm이다. 그러나, 틈새의 크기는 자석 크기에 비례하는 것이 바람직하다. 자석이 클수록 큰 자기장이 생기고 큰 틈새가 허용된다. 코일을 자석에 닿지 않게 배치하면 코일이 원하는 왕복 거리내에서 자석조립체 둘레에서 자유롭게 승강된다. 따라서, 구동코일은 자석의 물리적인 방해를 받지 않는다. 코일을 자석에 가깝게 두면, 코일이 자기장에 가깝게 위치하고, 이곳에서 자기장 밀도는 가장 강력하다. 일반적으로, 틈새(s)의 크기, 구동코일의 구성 형식, 사용되는 재료의 종류는 원하는 자기장 강도, 예상 입력 및 원하는 성능에 따라 좌우된다.

모터로 사용하는 동안, 코일에 전류가 공급되면 코일이 자석조립체에 대해 움직인다. 한편, 트랜스듀서가 발전기로 사용되면, 외부 진동에 의해 코일이 자석조립체의 자기장내에서 움직인다. 이런 움직임은 코일에 전류를 일으킨다.

전술한 기본적인 본 발명의 설명으로부터 여러가지 변형이 가능하다. 이하, 이들 변형례에 대해 각각 자세히 설명한다. 한가지 변형례는, 자석조립체와 코일 사이에 유연한 인터페이스 부재를 사용하는 것이다. 인터페이스 부재는 트랜스듀서의 제작을 보조하기 위해 제공될 수 있다. 이것은 또한 구동코일의 반응을 변경하거나 코일의 이동거리를 제한하는데 사용될 수도 있다. 다른 변형례는, 스페이서, 엔드캡, 방사상 자석 및 다수의 디스크들을 사용해 자석조립체의 외부 자기장의 형성을 돕는 것이 있다. 또다른 변형례로는, 자석 하나만 사용하는 것도 있다. 한편, 두개 이상의 자석으로 자석조립체를 구성할 수도 있다.

자석조립체의 구성과 원하는 성능에 따라, 틈새 부분에 유연한 인터페이스 부재(80)를 사용할 수 있다. 도 15의 실시예에서는, 두개의 자석 사이에 인터페이스 부재를 배치하되 마주보는 자석면에 직접 접착한다. 따라서, 인터페이스 부재는 윗면은 윗쪽 자석의 밑면에 접착되고 바닥면은 아랫쪽 자석의 윗면에 접착된채 장치의 수평면상에 놓인다. 한편, 경우에 따라서는 인터페이스 부재를 자석에 연결하지 않고 스페이서, 레이디얼 자석, 와셔형 자석 또는 자석쌍이나 하나의 자석 등 다른 형상의 자석에 연결할 수도 있다. 이들에 대해서는 후술한다.

인터페이스 부재는 구동코일의 진동을 방해하지 않게 코일에 부착하는 것이 바람직하지만, 필요하다면 코일의 이동한계를 감쇄하도록 고정될 수도 있다. 도 15에서, 인터페이스 부재는 원형이고 외주변은 구동코일의 내경부에 접착된다. 부착방식은 본딩, 접착 등 어떤 방식도 가능하다. 한편, 구동코일을 인터페이스 부재의 윗면이나 밑면에 부착할 수도 있다. 권선이 다층으로 적층된 구동코일은 인터페이스의 윗면과 아랫면 양쪽에 부착될 수 있다.

자석에 대한 구동코일의 상대적인 움직임은 왕복경로(Δe)를 따라간다. 코일의 왕복경로는 작동중에 자석조립체에 대해 움직이는 수직 거리이다. 전술한 바와 같이, 인터페이스 부재는 왕복경로 내에서 코일의 움직임을 변경하거나, 왕복경로 한계내에서 코일의 움직임을 감쇄하는데 사용될 수도 있다. 따라서, 인터페이스 부재의 크기와 재질은 사용되는 구동코일의 형식, 자기장의 강도, 예상 입력, 원하는 성능에 따라 좌우된다.

인터페이스 재료의 선택은 주로 장치의 주파수범위와 원하는 감쇄특성을 기초로 한다. 예를 들어, 저주파에서는 인터페이스 부재가 불필요하거나(도 2, 18 참조), 아주 유연하고 얇은 재료만 사용할 수 있다. 이렇게 하면, 인터페이스 부재가 원하는 큰 왕복경로를 과도하게 감쇄하지 않을 것이다. 연속적인 고주파의 경우에는 인터페이스 부재로서 더 얇고 뻣뻣한 재료가 바람직할 수 있다. 주파수가 증가할수록, 왕복경로의 길이는 비례적으로 감소한다. 일반적으로, 왕복거리는 입력 주파수에 따라 변한다. 주파수가 작을수록 왕복거리도 비례적으로 작아진다.

외부로 퍼지는 자기장은 스페이서, 엔드캡, 레이디얼 자석을 이용해 성형할 수 있다. 도 16에는 철로 된 와셔형 스페이서(90)를 두개의 자석 사이에 배치했다. 도 17에서는 두개의 자석 위아래에 철로 된 원형 엔드캡(92,92')을 설치하여 자기궤환로를 형성했다. 일 실시예에서, 스페이서, 엔드캡, 두개의 자석은 동일한 직경을 갖는다. 한편, 스페이서와 엔드캡을 (유전체인 목재, 뼈, 플라스틱 등; 도체인 구리, 아연, 알루미늄, 은 등; 또는 이들 재료의 일부나 전체의 합금과 같은) 비철재료(94)로 구성하고, 그 크기도 서로 다르게 할 수도 있다. 또, 스페이서 및/또는 엔드캡을 디스크, 링, 막대 등의 여러가지 형상으로 만들 수도 있다. 철 스페이서와 엔드캡의 크기는 자석이나 서로에 비해 같거나, 작거나, 크게 할 수도 있다. 철 스페이서와 엔드캡의 크기는 (직경이나 폭에 있어서) 자석 자체보다 작거나 같은 것이 바람직하다. 예컨대, 디스크형 자석을 사용할 때는 스페이서와 엔드캡의 직경을 자석보다 작게 한다. 전반적으로, 크기와 재료는 주어진 용도에 맞는 자속선의 형상에 따라 좌우된다.

도 18의 경우, 인터페이스 부재, 스페이서, 엔드캡이 사용되지 않는다. 대신, 두개의 자석들 사이에 틈새가 생기게 떨어뜨렸다. 이렇게 해도 방사상으로 퍼지는 자기장을 형성하는데 효과가 있다. 이런 틈새의 형성은 도 45의 부재(170)와 비슷한 제2 구조재를 사용해서 이루어질 수도 있다.

도 19의 방사상으로 자화된 와셔헝 영구자석(100)의 안쪽 극성은 제1 및 제2 자석들의 대향 극성에 반대이고, 외측 극성은 대향 극성과 동일하다. 이런 구성에서는 조립체의 전장에 걸쳐 자기장이 더 균일하게 형성된다. 방사상 자석의 자기장은 와셔 구조의 측면에서 생기므로, 곡면형의 외측면과 내측면은 실제로 자극면이다. 와셔형 코일을 와셔형 방사상 자석의 중간높이 둘레나 내경부 안쪽에 배치한다. 자석조립체에 와셔형 자석을 하나 이상 사용할 경우, 구동코일을 자속밀도가 최대인 수평면의 중심에 배치한다. 자극과 방사상 자석 사이에 (도 20, 21 참조), 또는 여러개의 방사상 자석들 사이에 (도 22 참조) 스페이서(94)를 두거나 비워둘 수도 있다.

다른 실시예에서는, 자석조립체를 한개의 자석으로만 형성한다(도 23 참조). 단일 자석조립체는 왕복거리가 짧되 주파수는 더 높은 경우 특히 유용하다. 그러나, 이 경우에는 자석 중간 높이에 와셔형 코일을 배치하지 못한다. 이 구성을 물리적으로 (수평면 양측으로) 대칭되도록 수정한다 해도, 코일을 가로지르는 자기장의 자속선은 수정되지 않는다. 이 위치에서, 코일은 방사상으로 퍼지는 자기장에 노출되지 않으므로, 자석에 대한 작용이 가장 약한 위치에 있게 된다. 본 발명의 구동코일은 반경방향 자기벡터가 축방향 자기벡터보다 큰 자기장에 속할 때 가장 효과적이다. 축방향 자기성분이 반경방향 성분보다 크면 코일 성능이 약화된다. 따라서, 자석을 한개 사용할 경우, 구동코일의 위치는 자극면 영역에 있고, 자극면은 대략 왕복범위의 중간에 있다. 효과적인 작동을 위해, 자기장이 확장하거나 집중하는 디자인에서 구동코일은 자극면 위아래 양쪽으로 자석조립체에 대해 자유롭게 움직일 수 있어야 한다. 이렇게 하면 자속밀도가 가장 강한 부분에 코일이 유지된다.

싱글 자석에 대해서는, 자석의 정면과 측면의 코너 부근에 있는 주변 자장으로부터 시작된다. 이 출발 면적은 좁은 구역으로서 자석보다 약간 위아래로 자석의 코너 가까이 있으며, 이곳에서 자기장이 가장 강하다. 자속선은 자석의 자극면에 평행하게 바깥쪽으로 발산한다. 이런 방사형 발산이 와셔형 코일의 성능에 가장 효과적이다. 자극면의 약간 위아래에서 자속선이 최대 밀도를 가지므로, 이 구역에서 코일이 자유롭게 진동할 수 있도록 하는 것이 중요하다.

축방향으로 자석이 하나인 시스템에서, 구동코일은 자석의 자극면에서 발산하는 자기장이 자극면에서 외측 측방으로 발산하되 자극면의 위아래 양쪽에서 대칭 각도로 발산하도록 자석의 외측면에 충분히 가깝게 구동코일을 배치하는 것이 바람직하다. 싱글 축방향 자석 구성에서 구동코일을 가장 강력하게 작용하게 하려면, 와셔형 구동코일을 통한 방사형 자기장이 최대화되도록 자석의 한쪽 자극면에 같은 높이로 구동코일을 배치한다. 또, 자극면에서 방사형으로 발산하는 자기장은 자석에서 멀어질수록 자극면의 위아래 양쪽에서 대칭성이 점점 더 약해지므로, 구동코일을 자석조립체에서 너무 멀리까지 설치할 필요는 없다. 또한 이런 먼 구역에서는 자기장이 약해지고 활용도도 떨어진다. 다시말해, 자석에서 멀어질수록, 자기장 강도와 대칭성은 점점 떨어진다. 물론, 자석에 가까울수록 이런 특성들은 증가한다. 따라서, 자기장 강도와 자극면을 중심으로 한 수평 대칭성은 구동코일의 권선 크기와 권선수를 결정할 때 고려해야만 한다.

도 32의 싱글 와셔형 자석의 경우, 수평면이 자석을 중간높이에서 수평으로 양분한다. 이 위치는 자석의 대칭면으로서 자기장 강도가 가장 강한 부분이다.자석을 여러개 겹쳐놓으면, 대칭 수평면은 자속밀도가 가장 강한 중간에 위치한다. 이위치에서는 수평면 아래위로 전술한 것과 비슷한 자기장 패턴이 생긴다. 양측의 대칭 자기장은 선명한 신호를 생성하는데 중요한 변수이다.

도 24에 도시된 것과 같이, 여러가지 엔드캡을 사용해 확장하는 자기장을 형성할 수도 있다. 도 24에 도시된 것과 같이, 제2 와셔형 구동코일(52')을 형성재(108)를 통해 제1 와셔 구동코일(52)에 연결한다. 한편, 주파수를 달리하려면 제2 구동코일(52')을 제1 구동코일에 연결하지 않을 수도 있다.

도 25, 26은 자석조립체가 여러개의 자석을 적층해 이루어진 구성을 보여준다. 여기서는 같은 극끼리 서로 마주보게 배열한다. 방사상으로 발산하는 자기장 각각에 구동코일을 이용할 수 있다. 이들 코일에 형성재(108)를 연결해 같이 움직이도록 한다. 자석조립체는 반경방향과 축방향 양쪽으로 자화를 일으킬 수 있다(도 22 참조). 한편, 반경방향이나 축방향 한쪽으로만 자석을 배열할 수도 있다.

이상 설명한 실시예들에서는 구동코일이 방사상으로 확장하는 자기장(즉, 원형으로 퍼지는 자기장)을 둘러싸고 있다. 두번째 실시예에서는, 구동코일이 방사상으로 집중하는 자기장(즉, 반경방향으로 안쪽으로 움직이는 자기장) 안에 위치한다. 도 27의 자석조립체는 축방향으로 영구 자화된 제1 및 제2 와셔형 자석들을 포함한다. 이 실시예에서, 와셔 자석들은 같은 극끼리 서로 마주보게 겹쳐진다. 방사상으로 확장하는 자기장은 와셔 자석의 외경부를 중심으로 형성되고, 방사사으로 집중하는 자기장은 자석의 내경부를 중심으로 형성된다. 구동코일들은 발산 자기장의 한쪽이냐 양쪽에 위치할 수 있다.

코일 와이어의 단면은 지금까지 설명한 여러가지 형상들중 어떤 것도 가능하고, 구동코일이 하나 이상일 때 이들이 서로 같을 필요는 없다. 집중 자기장에서, 구동코일의 외경은 와셔형 자석의 내경보다 약간 작으므로, 코일이 자석 내부에서 수직 왕복경로를 따라 자유롭게 움직일 수 있다. 확장 자기장에서, 구동코일의 내경은 자석의 외경보다 크다. 구동코일은 자석에 가까우되 자석과 물리적으로 접촉하지 않는다. 이들 자기장은 자석의 내연부와 외연부 바로 밖에서 가장 강하므로, 코일은 가능한 최대 자속밀도를 이용할 수 있도록 자석 가까이 위치하는 것이 바람직하다.

도 28-33에는 디스크 자석에 관해 전술한 바와 비슷한 다른 실시예가 도시되어 있다. 다중 또는 단일 와셔 자석(방사상으로나 축방향으로 자화됨), 내외 구동코일, 유연한 인터페이스 부재, 스페이서, 개방공간, 엔드캡, 축방향 디스크 자석, 형성재는 모두 특정 형상과 강도의 자기장을 형성하기만 하면 여러가지로 조합되어 사용할 수 있다. 도 27-33에는 가능한 구성의 일부만 도시되어 있다. 도 32에서, 구동코일의 단일 와셔자석에 대한 위치는 자석의 중간높이에 있고, 이 위치는 자속밀도가 가장 크고 가장 강한 대칭 자기장을 제공하는 수평면이다.

도 34-36의 다중 와셔 자석들은 다중 확장 및/또는 집중형 자기장을 형성하는데 사용될 수 있다. 크기와 자기장 강도가 각각 다른 자석쌍을 제공할 수도 있다. 이들 구성 각각은 동심 자석이나 자석쌍을 갖는 자석조립체를 구비한다. 도 34의 자석조립체는 축방향 와셔형 자석쌍(64',66') 내부에 축방향 디스크 자석쌍(64,66)이 들어있다. 디스크자석과 와셔자석 모두 같은 극끼리 서로 마주보게 배치된다(즉, 디스크자석은 S극끼리 서로 마주보고 와셔자석은 N극끼리 마주보게 배치되지만, 그 반대로 될 수도 있다). 도시된 바와 같이, 구동코일은 3개이다. 한쪽 코일(52)은 디스크 자석조립체의 외경부 둘레에, 다른 코일(52')은 와셔헝 자석조립체의 내경부 안에, 마지막으로 세번째 코일(52")은 와셔헝 자석조립체의 외경부 둘레에 배치된다. 도 35, 36에 도시된 바와 같이, 와셔형 자석은 동심의 자석쌍으로 대체되기도 한다.

비동심형 실시예(도 2 참조)에서는, 자기회로가 코일 주변부에서 자체적으로 완전하지 않아 구동코일은 개방된 자기장 안에 있다. 다시 말해, 와셔형 코일은 하나 이상의 자석의 단극부에 속해있다. 코일과 자석 사이에는 하나의 경계가 있다. 코일의 외주부는 경계가 없다. 자기회로가 폐쇄되었으면, 이 지역을 2극갭(dipole gap)이라 한다. 2극갭은 폐쇄 자기장을 나타낸다. 폐쇄자기장에서, 코일의 내경부과 외경부는 자석 표면 부근에서 경계를 이룬다.

동심형 자석이나 자석쌍을 갖는 실시예의 경우, 동심의 자석들 사이에 형성된 자기장은 불균일한 넓은 2극갭으로 작용하는 영역을 갖는다. 이 영역에서, 자기경로가 방사상으로 생성되고 동심 자석들의 반대 극들 사이를 통과한다. 사실상, 넓은 갭의 방사상 자기장은 평평한 수평면에서 회로를 폐쇄하는 반대되는 극성의 두개의 유효한 단극들로 구성되므로, 불균일한 갭을 형성한다. 이 영역내에서, 반대 극들은 좀더 타이트한 수평 패턴으로 코일을 통과하는 자속밀도를 집중하고 강화한다. 비교적 넓은 구동코일이 필요하므로, 본 발명의 2극갭 영역은 비교적 넓다. 2극갭의 크기가 커질수록, 자속의 불균일도는 감소한다. 따라서, 갭이 넓으면 자기장의 불균일도가 감소된다. 이것은 종래기술의 갭이 좁은 불균일 2극 자기장과비교되고, 종래기술은 본 발명의 트랜스듀서에서는 전혀 고려하지 않는다. 따라서, 본 발명의 와셔형 코일은 폐쇄 자기장(이중 경계) 자석조립체나 개방자기장(단일 경계) 자석조립체에서 생기는 불균일한 자기장에 잠긴다. 전술한대로, 불균일 자기장을 형성하는데 다른 자석 구성도 가능하다.

자석조립체의 형상은 다른 것도 가능하다. 예컨대, 도 37에서는 아치형 자석쌍(120,120')과 비슷한 형상의 구동코일(52)이 도시되어 있다. 도 38은 여러개의 아치형 자석들을 원형으로 조립한 것을 보여준다. 일 실시예에서, 각각의 아치구간은 자석쌍으로 이루어진다. 다른 실시예에서는 자석쌍(120,120') 사이사이에 아치형 비자성체(130)가 배치되어 있다. 도 39-41은 정사각형 영구자석(140), 자석쌍(140,142), 하나 이상의 정사각형 구동코일(52,52')을 보여준다. 도 42-44는 직사각형 자석(140), 직사각형 자석쌍(140,142), 하나 이상의 직사각형 구동코일(52,52')을 보여준다. 도 44에서는 여러가지 비자성체(150)를 두개의 막대자석쌍 사이에 배치하여 정사각형 링 모양을 이룬다. 전체 정사각형 둘레에 정사각형 외측 구동코일(52)을 사용하고, 내부에는 정사각형 외측 구동코일(52')을 사용한다.

자석조립체는 지지수단으로 지지할 수 있다. 예컨대, 자석을 커버판에 고정하고 스프링 등의 압축물질을 통해 이 판에 구동코일을 연결할 수 있다. 또, 트랜스듀서가 음향장치나 스위치나 릴레이에 유용하므로, 구동코일을 받침대, 격막, 외부 인터페이스, 유연한 부재(예; 발포제) 등 모션 트랜스미터로 작용하는 것에 부착할 수 있다. 예를 들면, 도 45의 발포성 인터페이스 부재(160)는 구동코일의 외주변을 지지대(170)에 부착하는데 사용된다. 이런 지지수단은 일반적으로 확장형이나 집중형 자석 모두에 이용된다. 당업자라면 알 수 있듯이, 지지수단은 여러가지를 사용할 수 있다. 본 발명의 트랜스듀서의 특징은 와셔형 구동코일을 방사상으로 발산하는 자기장 안에 두는데 있다. 지지수단은 부수적인 것이고 어느정도는 트랜스듀서의 용도에 따라 좌우된다.

또, 자석조립체를 소형화하면 트랜스듀서도 소형화할 수 있다. 자석이 작으면 질량도 작으므로, 관성력도 작아지고 이동에 필요한 힘도 작아진다. 이런 이유로, 본 발명에 따라 형성된 소형 트랜스듀서는, 자석조립체가 진동하는 동안 구동코일은 고정하거나, 아니면 자석조립체와 구동코일 둘다 진동하도록 구성될 수 있다. 코일과 자석조립체 둘다 고정되지 않고 지지수단과 무관하게 움직이게 되면 코일/자석 시스템이 자유롭게 상호작용함이 밝혀졌다.

이상에서 알 수 있듯이, 본 발명의 트랜스듀서는 코일 이동은 최대화하면서도 트랜스듀서의 높이는 짧게 하여 전체적으로 평평한 형상으로 고안되었다. 트랜스듀서는 수직축을 중심으로 대칭이고 수직축에 직각인 수평면 양쪽으로 대칭이다. 설계범위내에서, 이 장치는 저주파로부터 초음파 내지 무선 주파수범위까지 광범위한 주파수를 커버하도록 구성될 수 있다.

광대역 스펙트럼을 통한 반응의 선형성을 유지함은 물론 신호왜곡을 최소화하려면 대칭성이 중요하다. 외관상의 대칭은 자기장이 대칭임을 암시한다. 이것은 수평면 위아래 양쪽의 자기장이 대칭이면 코일 왕복으로 인한 신호가 평활해짐을 의미한다. 종래의 많은 트랜스듀서들은 자석조립체와 자극편의 대칭성 부족때문에 신호왜곡을 겪었다. 이들 종래의 트랜스듀서들은 축방향으로는 대칭이되 수평면을가로질러서는 대칭이 아니지만, 본 발명의 트랜스듀서의 자석조립체는 코일 위아래로 대칭이다. 코일의 위치는 수평면상에 있으며, 자석조립체를 두개의 동일한 반쪽으로 분할한다. 한쪽의 반쪽은 코일 위에 있고, 나머지 반쪽은 코일 아래에 있으므로, 결국 코일은 자석의 중간에서 자석을 둘러싸거나 그 내부에 있다. 자석의 중간은 방사상 자기장의 자속밀도가 최대인 부분이고, 자석조립체는 축방향으로 두개 이상의 자화된 자석을 갖거나 방사상으로 하나 이상의 자화된 자석들을 갖는다. 따라서, 수평면은 자기장의 가장 강한 부분이다. 이는 코일이 이 부분에 위치하여 자석조립체로부터 가장 강한 강도를 받기 때문이다. 이 위치에서는 자속선 형상에 대해서도 대칭이다. 와셔형 코일을 채택하면 자석조립체의 크기와 중량이 감소되고 방사상으로 형성되는 자기시스템의 원통형 코일을 대체하면 성능이 획기적으로 증가한다.

종래 기술에 비해, 본 발명의 트랜스듀서는 무궤환 장치이고, 대부분의 경우 반발장 무궤환 트랜스듀서이다. 이런 명칭을 붙이는 이유는, 장치가 단일 극에서 방사상으로 형성된 자기장에서 동작하되, 반대 극은 코일에 기여하지 않기 때문이다. 즉, 반대 극은 코일면과 같은 선상에 있지 않아서, 자속선은 코일을 통과하는 방향의 반대방향으로 180도 휘어져 복귀할 수 있다. 종래의 무궤환로는 코일 작용을 위해 양쪽 극을 이용하지 않는다. 무궤환 트랜스듀서의 코일은 한번에 하나의 극과 작용한다. 시작경로와 복귀경로를 동시에 다른 시간에 이용하지 않는다. 효과적인 단극은 무궤환 경로의 특정 영역으로서, 가장 강한 부분이다. 궤환장치에서, 코일은 균일한 2극갭에 배치된다. 코일은 시작경로와 복귀경로 들다의 영향을 받는다.

본 발명의 각 실시예의 트랜스듀서는 방사상 자속선이 생성되는 방사상 자기장을 이용한다. 본 발명에서 중요한 것은, 와셔형 코일이 방사상 자기장에 배치되고, 코일이 평평하되 그 폭이 코일의 높이와 같거나 이보다 크다는 것이다. 본 발명의 트랜스듀서는 방사상 자기장에서 가장 효과적으로 작용하는 위치에 와셔형 코일을 배치한다. 방사상 자기장이 와셔형 코일을 통과하는 목적은, 코일의 모든 권선들이 자속선에 동시에 접하도록 하기 위해서이다. 특히, 와이어의 넓은 면을 수직으로 하여 감긴 평판형 권선의 경우, 코일이 방사상 자기장에 잠길 때 최대 자속선이 코일의 권선을 가로지를 수 있다.

치밀하게 감긴 권선에서 와이어들이 서로 접촉할 수 있는 표면적이 클수록, 기존에 비해 용량이 커진다. 납작한 와이어나 리본 와이어 코일에서는 용량의 증가가 중요하다. 이들은 코일에 용량저항 요소를 더해준다. 트랜스듀서의 주파수가 증가할수록, 용량저항은 감소한다. 이들은 서로 반비례 관계에 있다. 리액턴스는 교류전류 시스템에서 기존의 직류저항에 저항을 더 추가한 것이다. 따라서, 와셔형 와이어 코일은 주파수가 높을수록 자체 저항은 작아진다. 이렇게 되면 코일은 더 효과적이다. 실험에 의하면, 본 발명의 이런 와셔형 코일의 고유 성질상 성능이 향상되었다.

와셔형 코일은 또한 다층 원통코일보다 유리하다. 코일 자체가 편평하고 속이 찬 디스크형이 아닌 와셔형이기 때문에 유도리액턴스가 감소된다. 코일의 외경이 클수록 유도리액턴스가 적다. 와셔형 코일의 권선이 감길수록 코일의 직경이 커지므로, 권선수가 많을수록 유도리액턴스가 계속 감소한다. 이런 성질 때문에 권선이 추가될수록 저항은 증가하기는 해도 최저로 유지된다.

주파수는 용량저항에 영향을 주지만, 유도리액턴스에도 영향을 준다. 그러나, 유도리액턴스의 경우, 주파수 변동은 선형적이다. 즉, 유도리액턴스는 저주파에서 최저이고 고주파일수록 높은 저항을 유도한다.

코일의 주파수범위에서 전체적인 저항이 낮아진 것은 트랜스듀서의 전기자기 시스템에서 코일의 CEMF(Counter ElectroMagnetic Force)를 낮추는데 기여하는 코일의 물리적 구성, 용량리액턴스, 유도리액턴스 등 때문이다. CEMF가 낮아지면 댐핑효과가 줄어들어, 작동중에 더 많은 파워를 제공하도록 성능을 개선할 수 있다.

코일이 편평한 와셔 형상이고, 자석조립체가 2축 대칭이며, 용량이 증가하고 유도리액턴스가 낮아지면, 이들이 상승작용하여 원통 코일, 극편 트랜스듀서에 비해 더 선형이고 왜곡이 없는 신호가 생긴다. 신호를 여과하기 위한 전자소자를 더이상 추가할 필요가 없다. 이런 추가 소자들은 부적절한 위상편이를 일으킨다. 위상편이가 있으면 파괴적인 전자파간섭이 파형에 취소효과를 일으키므로 출력신호의 강도가 낮아진다. 따라서, 본 발명의 코일은 기본적으로 대역 스펙트럼에 걸쳐 자기조절과 자기여과 기능을 갖는다.

본 발명의 다른 장점은, 무겁고 큰 극편들을 완전히 배제한다는 것이다. 극편은 악영향의 원인이다. 이것은 와전류, 신호정류, 열축적을 일으킨다. 유도작용에 의해 극편에 생기는 와전류는 열을 발생시킨다. 열은 코일로 전달된다. 이런 추가 열은 코일의 직류저항을 증가시키고, 이렇게 되면 전류흐름을 방해함은 물론 더많은 열을 발생시킨다. 이렇게 되면 파워출력이 크게 감소되고 코일 수명이 단축된다. 과열된 코일은 타버리거나 수명이 아주 짧아진다. 다른 극편 문제는, 코일의 신호 극성에 무관하게 코일이 지속적으로 철을 끌어당긴다는 것이다. 그 결과 원치않는 신호정류와 기타 고조파 왜곡이 생긴다.

코일의 과열은 코일이 위치한 갭이 아주 좁은데서 생길 수도 있다. 주변 공기로의 열전달이 갇힌 공간 때문에 어려워진다. 갭 면적을 제한하면 코일이 과잉 열을 버리는 것이 어렵다. 불행히도, 원통코일은 기본적으로 답답하면서도 철 성분이 많은 환경에 갇혀있을 수 밖에 없다.

반면에, 본 발명의 납작한 코일은 개방된 공간에 노출된다. 과잉 열은 바로 없어진다. 코일이 진동하면 자연적으로 작동중에 코일이 냉각하게 된다. 이렇게 냉각하게 되면, 코일이 납작하므로 대부분의 권선들이 직접 공기와 접촉하는 것도 부수적인 장점이다. 권선층들중의 내부층이 외부와 접촉하는 것을 방지하는 것도 없다. 코일 안에 깊숙이 매립된 와이어들은 열전달 기회가 거의 없는데, 특히 둘레의 모든 권선이 뜨거울 경우 더욱 그렇다. 본 발명의 코일은 열을 보다 쉽게 분산시킬 수 있어서, 더 많은 와트를 흡수할 수 있다.

따라서, 자기장을 방사상으로 형성하는 와셔형 코일은 원통형에 비해 성능이 높으면서도, 신호손실과 신호왜곡도 없고 또한 무게도 훨씬 가볍다. 중량대 파워출력 실험에 의하면, 본 발명의 트랜스듀서는 종래의 극편 트랜스듀서보다 (제곱평균값으로 측정하여) 여러배 파워풀함이 밝혀졌다. 본 발명의 트랜스듀서는 기존의 다른 것만큼 기자력이나 기전력 손실을 겪지 않는다.

본 발명의 트랜스듀서는 또한 자기기계학적으로 여러가지 장점을 제공한다. 종래의 철 극편 트랜스듀서의 원통코일은 극편들로 형성된 좁고 불균일한 2극갭 안에서 승강운동하므로 길이 전체에 걸쳐 모든 권선들을 자기장에 속하게 할 수 없었다. 어떤 면에서는, 원통코일의 상단 및/또는 하단에서는 자기장이 부족한데, 이는 왕복운동 경계 부근에서 방향이 바뀌는 동안 극편의 가장자리나 모서리를 코일의 상당부분이 지나칠 때 흔히 발생한다. 이렇게 되면 코일축을 따라 자속밀도 분포가 불균일해지고, 신호왜곡의 원인이 된다. 극편의 가장자리나 모서리에 있는 자기장은 이런 왜곡을 증폭하는데, 이느 이런 자기장의 자속선들이 (좁은 극편 갭 안에 있어서) 더이상 원통코일의 수직축과 직교하지 않고 각도를 이루기 때문이다. 코일이 이 구역에 다가갈수록, 주변자기장을 변조하여 신호를 왜곡하기도 한다. 방사상 자기장에서는 원통코일이 훨씬 나쁘다.

방사상 시스템에서, 본 발명의 와셔코일의 높이가 낮아 기본적으로 자속선이 동시에 같은 각도로 코일을 통과하는 자기밀도 지역에 모든 권선이 위치하여, 자기장이 자석조립체 둘레를 따라 있다. 종래의 원통코일은 그렇지 않은데, 자속선이 주어진 순간에 각각 다른 각도로 권선과 접촉한다. 방사상 시스템의 와셔 코일의 연속적인 각각의 권선들을 통과하는 자속밀도는 자극에서 멀어질수록 감소하지만, 자속선의 각도는 여전히 동일하다. 반면에, 원통코일의 자속선의 각도는 권선의 길이에 따라 다르다.

결과적으로, 와셔형 코일에서는 자속선의 각도가 자기장내에서 항상 다른 각도에 있지 않다. 이렇게 되면, 코일의 자속선이 동시에 다른 각도를 취하지 않으므로, 결과적으로 종래의 원통코일에서 발생하는 것처럼 코일 왕복중에 어떤 지점에서 자기장이 제로까지 중화되는 문제가 없다. 다시 말해, 심각한 인터페이스를 유발하는 자기장내의 영역들마다 각도가 다른 "혼선(crossfire)" 문제가 없는데, 이는 와셔형 구동코일의 높이가 작기 때문이다. 와셔형 코일은 자속밀도가 제로인 곳도 있지만, 자속선과 충돌하지는 않는다. 이런 이유로, 와셔형 코일은 이동중에 왜곡이 최소화된다. 자속선과 충돌하는 심각한 간섭으로 인한 자기장의 중화도 없다. 파형도 선명하게 남아있고, 코일의 반응도 더 선형적이다.

와셔형 코일은 주어진 시간에서 권선을 통과하는 자속선의 각도가 동일하므로, 원통코일에서와 같은 심각한 주변 자기장 변동도 없다. 와셔형 코일의 장점은, 수직축이 짧다는데 있다. 따라서, 원통코일에 치명적인 주변현상이 와셔형 코일에는 유용하다. 방사상 자기장이 축방향 자석에서 생기는 주변효과를 이용하므로, 본 발명의 트랜스듀서 시스템에서 자석조립체의 자석이 하나이든 또는 여러개가 적층된 것이든 상관 없다.

자석의 단극으로부터 자속선이 방사상으로 퍼지므로, 외측 권선에서 약한 자기장이 감지되지만, 주어진 순간에 전체 코일의 주변과 권선을 통틀어 자기장의 각도는 동일하다. 와셔형 코일의 자속밀도는 주어진 순간에 정량적 변화는 겪되 정성적 변화는 겪지 않는다. "정성적"이란 자속선이 구동코일을 통과하면서 각도가 변하는 것을 의미하고, "정량적"이란 자속밀도나 자기장 강도가 자극에서 멀어질수록 변함을 의미한다. 원통코일은 권선을 통과하는 자속밀도에 있어서 주어진 시간동안 정성적변화와 정량적변화를 모두 겪는다. 그러나, 와셔형 코일은 기본적으로 정량적 변화만 받는다. 이렇게 되면, 코일에 영향을 주는 정성적 변수를 제거하여 신호왜곡의 원인을 제거할 수 있지만, 원통코일은 신호왜곡을 피할 수 없다.

따라서, 와셔형 코일은 주변의 자기장 변동에도 좀더 균일하게 반응한다. 반면에, 원통코일은 수직축의 길이 때문에 주변의 자기장 변동에 불균일하게 반응하여, 자속선의 각도변화에 의한 영향을 받는다. 이렇게 원통코일이 자기장에 불균일하게 반응하면, 정성적 변수에서 기인하는 Bli외적이 변하여 신회왜곡을 심화시키는데, 여기서 B는 코일을 통과하는 자속이고, l은 자기장내의 와이어의 길이이며,i는 와이어의 전류값이다. 이런 심각한 변수는 본 발명의 와셔형 코일에서 훨씬 덜 나타나므로, 본 발명은 더 선명하고 순수한 신호를 낼 수 있다.

본 발명의 트랜스듀서는 특히 탈출 왕복운동의 회피에 관련해 와셔형 구동코일에 바람직한 왕복경로를 제공하기도 한다. 본 발명의 트랜스듀서에서, 영구자석의 궤환로는 시작경로만큼 코일의 활동에 영향을 주지 않는다. 궤환 자극은 코일에서 너무 멀리 있어서 코일에 직접적인 영향을 주지 않고, 코일은 이동시간내내 부근에 있어야 한다. 궤환로의 자속선은 시작경로만큼 방사상이거나 수평면상에 있지 않다. 시작경로를 일으키는 단극이나 "방사장"은 조립체의 중간에 있다 (축방향 자석쌍 조립체나 방사상 자석조립체의 경우). 한편, 철 자극편 사이의 불균일 2극갭의 경우에서처럼, 시작경로와 궤환로가 직선상에 있으면 코일이 Bli외적을 이용할 것이다. 종래의 원통실린더의 좁은 2극갭에서는 시작경로와 궤환로를 동시에 가진다.

축방향 자석쌍이나 방사상 자석 배열의 경우, 구동코일은 조립체의 중간에서축선을 따라 방사상 자기장으로부터 단부의 자극쪽으로 밀린다. 코일은 이동하면서 반대 극성의 다른 방사상 자기장과 만난다. 이 자기장은 자기회로의 궤환로로서, 자석 시스템의 극성 단부면에서 시작하고, 조립체 중간의 양측면에 각각 있다. 이런 단부 자기장은 코일의 속도를 제동하고 코일의 전류가 반전될 때까지 흡인력으로 코일을 붙잡아둔다. 이어서, 코일은 조립체 중간을 향해 반대쪽으로 되밀린다. 충분한 모멘텀이 있기만 하면 이런 동작이 반대쪽의 다른 단부 자기장에 닿을 때까지 계속되거나, 단부 자극으로 되돌아가기 전의 반대 극성의 중간 부분의 방사상 자기장으로 되돌아가는데, 여기서 단부 자기장은 마찬가지로 코일의 모멘컴을 제동하여 사이클이 다시 시작한다. 코일의 제동으로 인해 코일은 과이동으로 인한 파손이 방지되는바, 왕복이동 경계선을 넘는 과이동, 즉 탈출현상이 방지된다.

축방향 자석쌍이나 방사상 자석 배열에서, 와셔형 코일은 일반적으로 조립체 양단의 개방 자극편 평면을 넘지 않는다. 반면에, 원통코일은 무궤환 자석조립체에 있을 경우 자극면을 넘거나 절반정도에서 제동되곤 한다. 자속선의 각도가 달라서 생기는 원통코일이 겪는 자기장 취소효과 때문에, 원통코일은 쉽게 정지되지 않는다. 원통코일은 통제불능 탈출이 일어나 자석조립체에서 튕겨나갈 위험이 크다. 본 발명의 와셔형 코일은 자석조립체에서 튀어나가기는 커녕, 오히려 자극면 바로 위에 자기력에 의해 붙들려 있다. 전류방향이 바뀌면 반대 방향으로 움직인다.

와셔코일의 높이가 작기 때문에, 원통코일에서 흔한 자속선의 극성반전이나 다른 각도로 인해 코일을 붙잡는 강력한 자기장의 약화가 없다. 따라서, 자기장 각도를 해치는 정성적 변수는 와셔형 코일에서는 낮은 높이로 인해 대부분 제거된다.

와셔코일의 제동현상은 코일의 운동을 왕복운동 경계내로 제한하는 물리적 구속을 할 필요성을 없앤다. 왕복로가 최대인 저주파에서는 탈출운동이 특히 일반적이다. 본 발명의 트랜스듀서는 과감쇄를 일으킬 수 있는 물리적 수단 없이 자체적으로 코일 파손의 원인을 감소시켰다. 따라서, 파워출력이 제한되지 않는다. 본 발명의 몇몇 실시예에서는, 구동코일을 자석조립체에 고정할 인터페이스 물질을 없앨 수 있다.

무궤환 시스템에서, 더 일반적으로는 방사상 시스템에서 원통코일보다 유리한 와셔코일의 이상의 모든 장점들로 인해, 본 발명의 트랜스듀서는 많은 다른 분야에도 적용할 수 있는 신기술로 볼 수 있다.

즉, 본 발명의 장치는 코일 왕복을 최대화하면서도 트랜스듀서의 높이를 단축하여 전체적으로 더 평평하도록 설계되었다. 수직축은 물론 수직축에 직각인 수평면에 대해서도 대칭된다. 이에 따라, 본 발명의 장치는 저주파로부터, 초음파, 무선주파수 범위까지 광범위한 주파수를 커버하도록 구성될 수 있다. 대칭성은 광대역 스펙트럼에 대한 반응의 선형성을 유지하는데는 물론, 신호왜곡을 최소화하는데 중요하다. 수평면 위아래 양쪽으로 자기장이 대칭이어서 코일 왕복중에 더 평활한 신호가 생긴다. 와셔코일은 자석조립체의 크기와 중량은 낮추되 원통코일을 대체하여 성능은 획기적으로 향상시킨다. 동일한 각도의 자속선들이 와셔코일을 투과하지만, 원통코일에서는 각도가 서로 다르고 반대인 자속선들이 많아서 간섭변수들이 늘어난다.

본 발명의 트랜스듀서는 특히 스피커(196)와 마이크로폰(198)에 유용하다.도 46-54는 여러가지 스피커들을 보여준다. 일반적으로, (전기, 자기, 기계적인) 양면 대칭은 스피커 성능개선에 도움을 준다. 도 55-64는 여러가지 마이크로폰을 보여준다. 스피커와 마이크로폰에는, 코일과 자석 사이의 상대운동을 통해 사운드를 보내거나 받기 위한 격막이 있다. 후술하겠지만, 스피커와 마이크로폰의 구성은 경우에 따라 다르고, 전술한 특징들을 대부분 활용하고 있다.

도 46의 스피커는 자석조립체(50), 도체(52; 구동코일), 격막(200), 지지대(202; 베이스) 및 서라운드(204)를 포함한다. 자석조립체와 코일은 전술한대로 배치되지만, 코일은 옆으로 발산하는 자기장에 위치한다. 마찬가지로, 코일과 자석조립체 사이에 틈새(S)가 있어서, 코일과 자석이 부딪치지 않고 서로에 대해 움직일 수 있다. 틈새는 가능한한 좁은 것이 좋다.

지지대는 스피커를 안정시키는데 사용된다. 도 46의 지지대(202)는 버팀대(206)와 케이스(208)를 포함한다. 버팀대는 자석조립체와 케이스에 연결된다. 덮개는 평평하고 단단한 판으로서, 그 안에 다른 구성요소가 들어간다. 버팀대는 자석조립체를 격막과 코일에 대해 적당한 위치에 유지하기 위한 다리(210)를 하나 이상 갖는다. 도 46에는 버팀대가 하나 보이지만, 가운데 서라운드를 끼고 아래위 양쪽에 버팀대를 둘 수도 있다(도 57 참조).

격막은 와셔 형상으로서 뻣뻣하고 가벼운 재료로 이루어진다. 동심형 주름(212)을 두면 격막의 강성을 높일 수 있다. 코일은 자석 부근에서 격막에 연결된다(도 66 참조).

와셔형 서라운드(204)는 격막 외주변을 케이스에 연결하는 것이다. 서라운드는 일반적으로 격막이 케이스에 대해 움직일 수 있도록 격막을 케이스에 연결하는 유연한 부재이다. 일 실시예에서, 격막의 외주변은 서라운드 내주변에 접착된다. 도 46에서는 서라운드가 사각형 단면의 와셔 형태로 보이지만, 도 47에서는 서라운드가 스프링 형태로 되어 있다. 도 48의 서라운드는 돔 형태이고, 도 49에서는 이중 돔 형태이다. 다르게는, 본 발명에서 참고한 미국특허 3,019,849에서 설명한 형상의 서라운드를 사용할 수도 있다. 서라운드 때문에, 코일에 가까운 부분만이 아닌 격막 전체가 허용 왕복로 내에서 이동할 수 있다.

다른 스피커가 도 50, 51에 보인다. 여기서는 코일과 자석조립체 둘다 움직인다. 자석조립체는 하나 이상의 받침대(214)에 의해 격막에 연결된다. 저주파일 경우는, 받침대가 두개인 것이 좋다. 도 50에서는 아래위 양쪽의 링형 받침대를 사용해 격막의 내연부를 자석조립체에 연결했다. 자기장의 자속선을 집중하기 위해 자석들 사이에 부드러운 철로 된 링(216)을 배치할 수도 있다. 마찬가지로, 철이나 황동 디스크(218)를 디스크쌍의 윗면이나 아랫면에 붙일 수도 있다. 자석조립체를 자기적으로 차단하기 위해 자석 위나 아래에 비스무스 디스크를 사용할 수도 있다. 도 51의 격막은 압축성 물질로 이루어진다. 격막의 내주변은 뻣뻣하게 압축되어 있다. 이렇게 뻣뻣한 부분(222)에 코일을 연결한다.

도 52는 스피커의 평면도로서, 지지대(202)는 케이스와 버팀대의 결합으로 이루어졌다. 버팀대는 자석조립체를 받쳐주고, 케이스는 서라운드와 격막을 지지한다. 도시된 버팀대는 중앙부(226)에서 3개의 아암(224)이 뻗어나가 있다. 자석조립체는 중앙부에 고정되고, 아암의 말단부에 달린 다리(210)는 서라운드 바로 바깥의케이스에 연결된다.

기존의 스피커의 트랜스듀서를 교환하여 사용할 수도 있다. 도 53의 스피커 조립체에서는 종래의 자석조립체와 원통코일 대신에 본 발명의 트랜스듀서를 사용했다. 도 53에서는 두개의 스피커를 앞뒤로 배치한 구성이다. 이 실시예에서, 스피커 콘(228)은 형성재(230)에 부착된다. 콘과 형성재는 진동하고 받침대(214)에 의해 지지된다. 형성재는 자석조립체 위로 신축운동한다. 와셔코일(52)은 자석조립체(50)에서 나오는 자기장 위치에서 형성재의 외측면에 연결된다. 자석조립체는 바스켓(232)에 부착되고, 그 사이에 철로 된 디스크(216)를 바스켓에 연결할 수도 있다.

도 53의 스피커는 자석조립체가 움직이고 코일은 고정되게 구성할 수도 있다. 이렇게 하면, 형성재가 자석조립체에 연결된다. 자석조립체는 바스켓에 연결되지 않는다. 코일은 버팀대에 의해 바스켓 측벽에 대해 지지된다.

콘이든 격막이든, 또는 단극성이나 양극성 자석조립체든, 그 구성에 무관하게, 사운드 효과를 취소하는 것을 피하도록 설계하는데 주의해야 한다.

마찬가지로, 격막을 아래위로 여러개 배치할 수도 있다. 예컨대, 도 54의 스피커는 두개의 격막(200)을 사용해 양방향으로 소리를 내는 구성이다. 자석조립체는 양단부를 접촉시킨 두개의 양극 자석을 사용할 수 있다. 도 53은 종래의 스피커의 콘형 격막에 이용되는 것이다. 이 구성에서는 반대극성의 자석쌍 사이에 부드러운 스틸 스페이서(또는 다른 재료)를 배치한다. 자석조립체는 두개의 양극 자석들을 이용하고, 그 사이에 스페이서 자석을 배치할 수도 있다(도 54 참조). 한편, 두개의 단극 자석으로 자석조립체를 구성하고 그 사이에 스페이서 자석을 배치할 수도 있다. 어느 경우든, 지지대는 격막 사이로 비자성 요소(234)를 가져 간섭을 낮춰야 한다.

이제 마이크로폰에 대해 설명하는데, 기존의 많은 마이크로폰들은 스피커의 축소판으로서 반대로(즉, 발전기처럼) 작동한다. 도 55의 첫번째 실시예는 상하부 원형 지지대(202)를 이용한다. 이들 지지대 내부의 공간에 시스템이 들어있다. 도시된 실시예에서, 자석조립체는 지지대의 내측면에 접착된다. 격막은 지지대 사이에 위치하고 내주변을 갖는 하나의 내부 개구부를 구비한다. 이 개구부 부근에서 코일(52)이 격막에 연결된다. 전술한대로, 코일은 여러 방식으로 여러 위치에서 격막에 부착될 수 있다. 코일은 조립상태에서 자석조립체에 닿지 않게 그 부근에 위치한다. 격막(200)은 일반적으로 진동을 수용하면서도 적당히 코일을 지지할 정도의 가벼우면서도 뻣뻣한 재료로 이루어진다. 필요하다면, 격막에 동심원형의 보강 특성부(212)를 형성할 수 있다. 이런 특성부들은 격막의 본체에 강성을 부여함은 물론 격막 외주변에 서라운드 기능도 부여하여 왕복기능을 증강시킨다. 이와 관련해, 서라운드를 격막에 형성할 수도 있다. 서라운드는 옵션 부품인데, 이는 마이크로폰의 격막 진동이 상대적으로 약하고 코일은 큰 왕복경로를 필요로 하지 않기 때문이다.

도 56에는 본 발명에 따라 형성된 다른 마이크로폰이 도시되어 있다. 이 장치에서 지지대는 상하부 원형 요소(236)를 포함한다. 자석조립체는 축방향으로 와셔형 자극쌍이 배열된 것으로서, 상하부 요소(236) 사이에 위치한다. 각 요소에는내측면에서부터 안쪽으로 이어진 내부 지지아암(238)이 있다. 격막은 원형이고, 중앙부는 다른 부분보다 두툼하다. 두툼한 중앙부는 상하부 요소들의 내부 지지아암들 사이에 고정된다. 격막 외주부에 코일이 연결되되 자석조립체 가까이 있다. 옵션품목인 서라운드나 보강부(도시 안됨)를 중앙부 둘레에 형성하여 격막의 진동을 촉진할 수 있다.

도 55나 56에서는, 자기장의 집중을 돕기 위해 추가 자기요소들을 사용할 수 있다. 예컨대, 도 55, 56의 지지대를 자성물질로 구성한다. 또, 자석조립체 자체 내부에 철로 된 디스크를 사용할 수도 있다(도 57 참조).

다른 마이크로폰이 도 58에 도시되어 있는데, 여기서는 코일(52)이 고정되고 자석조립체(50)는 코일에 대해 움직일 수 있다. 이 경우, 격막(200)은 양쪽에 원형 방수천(242)을 둔 형태로 자석조립체 둘레에 부착된다. 코일(52)은 뻣뻣한 지지대(244)에 고정된다. 지지대의 단부와 방수천의 단부는 두개의 지지링(246) 사이에 클램프된다.

도 55-57의 지지대는 마이크로폰 양쪽으로 소리가 통과하는 구멍을 갖고 격막을 움직인다. 이런 구성은 양쪽에서 나오는 소리에 반응하므로 2차원 또는 "양극성"일 수 있다. 도 6-64는 여러가지 케이스를 보여준다.

도 59-61은 본 발명에 따라 구성된 다른 마이크로폰을 보여준다. 각각에서 자석조립체는 하나의 자석으로 이루어지고, 이 자석은 하부의 자성 지지대(202)에 부착된다. 따라서, 이런 구성은 하나의 자극면에서만 대부분의 자기장이 생기므로 "단극" 시스템이라 한다. 또, 이런 시스템은 일반적으로 일방향의 소리에만 반응하는데 효과적이다.

하부 지지대는 안쪽을 향한 원형 측면 플랜지(247)를 갖는다. 이 지지대는 자성물질로 일체로 형성된 것이다. 각 플랜지의 말단부의 자극은 자석의 상단 자극면과는 반대된다. 자석조립체가 전반적으로 취약하므로, 상부 자석의 자극면에 철로 된 디스크를 부착하여 자기장을 집중한다. 또한, 플랜지들과 격막 사이에 서라운드를 배치하여 격막의 움직임을 개선할 수 있다. 또, 본 발명에서는 (철이 부유되어 있는) 철분 유체를 사용할 수 있다.

서라운드(204)는 어떤 형상도 가능하다. 도 59의 서라운드는 링 형태이다. 한편, 격막의 외주부에 동심원 보강부를 형성하여 서스펜션 부착을 강화할 수도 있다. 이에 대해서는 도 66 참조. 도 60의 서라운드는 겔이나 겔발포체 링이다. 도 61의 서라운드는 U형 채널을 갖는 고무링이다.

하나 이상의 가동 코일(52)을 자기장에 잠기도록 격막(200)에 부착한다. 도 59, 60에서는, 중앙의 단일 자석의 외측 자극면 부근이 이런 위치에 해당한다. 도 61에서는 격막의 외주변에 두번째 코일을 배치하되, 지지 플랜지의 자성물질 부근에 배치한다. 한쪽 리이드선은 내부 코일로 가고, 이곳에서 외부코일에 연결되어, 두번째 리이드선 역할을 한다.

도 60, 61에는 중앙의 단일 자석 위로 돔(248)이 배치되어 있다. 돔은 소리가 들어오는 표면적을 증가시키고 격막에 직접 연결된다. 돔은 격막과 같은 재질로 형성하고, 격막에서 분리되거나 격막과 일체로 할 수 있다(도 61 참조). 이상에서 알 수 있듯이, 단극 디자인들을 병합하여 양극 구성을 형성할 수 있다. 이런 병합에 있어서는 돔이 불필요하다.

이상 설명한 여러가지 내용을 조합하면, 다양한 새로운 유용한 디자인을 만들 수 있다. 예컨대, PTT(push-to-talk) 스위치가 달린 종래의 스피커들은 도 65, 66의 구성을 이용해 개량할 수 있다. 도 65에서는 중앙에 철로 된 디스크가 구비된 양극 자석조립체를 상하부 자성 지지대 내부에 고정한다. 디스크형 격막을 지지하는데 서라운드를 사용한다. 내부코일은 격막 내주변에 연결되고, 외부코일은 격막 외주변에 연결된다. 내부코일은 마이크로폰 역할을 하고, 외부코일은 스피커 역할을 한다. 도 66의 자성 지지체의 구성은 도 65의 구성과 비슷하다. 도 66에서는 서라운드가 없고, 격막 외주변에 일련의 동심형 보강부가 있어서 서라운드 역할을 한다. 스피커 코일은 격막 한쪽에 위치하고, 마이크로폰 코일은 격막의 반대쪽에 위치한다. 이런 배열에서는 스피커코일과 마이크로폰 코일이 각각 적당한 자체 임피던스를 갖는다. 이 장치에 단극 자석 시스템을 사용할 수도 있다.

다른 것을 예로 들면, 다른 용도의 별도의 코일들을 사용할 수도 있는데, 이들 코일 모두 단일 자석조립체에 사용될 수 있고, 트위터(tweeter)나 우퍼(woofer) 같은 종래의 스피커들을 특수 기능의 손상 없이 하나의 스피커로 병합할 수도 있다. 한가지 예로는, 중앙의 자석을 동심원 와셔형 자석조립체들로 둘러싼 스피커를 구성한다. 자기장내에 여러가지 격막과 코일들을 배치한다. 이런 구성은 다양한 주파수를 각각의 코일로 분배하는데 유용하다. 밀려드는 주파수를 커버하는 크기의 코일과 격막을 사용하면 효율을 실현할 수 있다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명했지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형이나 변경이 가능함을 알 수 있다. 이상의 설명으로부터 알 수 있듯이, 지금까지 설명한 여러 요소들, 예컨대 축방향 자석(디스크형, 와셔형 등), 인터페이스 부재, 스페이서, 엔드캡, 개방 틈새, 방사상 자석, 자석쌍, 버팀대, 지지대, 서라운드, 각종 구동코일 디자인 등을 조합하여 여러가지 구성을 실현할 수 있다. 본 명세서에서는 이런 조합들의 일부만을 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

Claims (53)

1. ⒜ 축방향으로 자화된 하나 이상의 자석을 구비하고, 상기 자석은 양쪽 외측의 제1, 제2 자극면을 가지며, 축방향 자화에 횡방향으로 방사상으로 확장하는 자기장을 형성하는 자석조립체; 및

   ⒝ 소정의 외측 사이즈, 내측 사이즈, 높이 및 폭을 갖고, 폭은 외측 사이즈와 내측 사이즈의 차이로서 높이와 같거나 이보다 크며, 자석조립체의 방사상 자기장 내부에 위치하는 도전 구동코일;을 포함하고,

   상기 자석과 구동코일 사이에는 틈새가 있어서 작동중에 구동코일이 자석과 물리적으로 접촉하지 않으며;

   상기 구동코일은 왕복로를 따라 움직이되, 왕복로의 적어도 일부는 제1 및 제2 외측 자극면 사이에 있고;

   조립되었을 때 구동코일과 자석조립체 사이에 상대적인 축방향 운동이 일어나도록 구동코일이 자석조립체 가까이 위치하며;

   모터로 사용할 때는 코일에 전류가 공급되어 코일과 자석이 서로에 대해 상대운동하고;

   발전기로 사용할 때는 외부의 물리력에 의해 구동코일이 자석에 대해 상대적으로 운동하여 구동코일에 전류를 일으키는 것을 특징으로 하는 전자기 트랜스듀서.
2. 제1항에 있어서, 상기 자석조립체가 양쪽에 제1, 제2 자극면을 갖는 단일 자석으로 이루어지고; 상기 단일 자석의 자기장은 각각의 자극면에서 방사상으로 확장하며; 상기 구동코일은 확장하는 자기장 내부에서 자극면들중 하나에 배치되는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
3. 제2항에 있어서, 상기 단일 자석이 소정 외경을 갖는 디스크형 자석이고; 구동코일의 내측 사이즈는 내경이고 구동코일의 외측 사이즈는 외경이며; 구동코일의 내경이 디스크 자석의 외경보다 큰 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
4. 제2항에 있어서, 상기 단일 자석이 방사상으로 집중하는 자기장과 방사상으로 확장하는 자기장을 갖는 와셔형 자석이고; 도전 구동코일은 집중하거나 확장하는 자기장들중 하나의 안에 위치하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
5. 제4항에 있어서, 상기 와셔형 자석이 외경을 갖고; 구동코일의 내측 사이즈는 내경이고 외측 사이즈는 외경으로서, 구동코일의 외경이 와셔형 자석의 내경보다 작아서 구동코일이 사용중에 와셔형 자석의 안에 위치할 수 있는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
6. 제1항에 있어서, 상기 자석조립체가 축방향의 제1, 제2 자석들로 이루어지고; 이들 자석은 같은 극끼리 서로 마주보게 동축으로 배치되어 방사상으로 퍼지는자기장을 형성하며; 상기 구동코일이 이 자기장 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
7. 제6항에 있어서, 상기 제1, 제2 자석들이 소정 외경을 갖는 디스크형 자석이고; 구동코일의 내측 사이즈는 내경이고 구동코일의 외측 사이즈는 외경이며; 구동코일의 내경이 디스크 자석의 외경보다 큰 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
8. 제6항에 있어서, 상기 제1, 제2 자석들이 방사상으로 집중하는 자기장과 방사상으로 확장하는 자기장을 갖는 와셔형 자석이고; 도전 구동코일은 집중하거나 확장하는 자기장들중 하나의 안에 위치하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
9. 제8항에 있어서, 상기 와셔형 자석이 외경을 갖고; 구동코일의 내측 사이즈는 내경이고 외측 사이즈는 외경으로서, 구동코일의 외경이 와셔형 자석의 내경보다 작아서 구동코일이 사용중에 와셔형 자석의 안에 위치할 수 있는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
10. 제1항에 있어서, 상기 자석조립체가 하나 이상의 아치형 자석으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
11. 제1항에 있어서, 상기 자석조립체가 하나 이상의 장방형 자석으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
12. 제6항 내지 9항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 자석조립체가 제1 및 제2 자석들 사이에서 구동코일에 연결되는 제1 인터페이스 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
13. 제12항에 있어서, 상기 제1, 제2 자석들이 제1 인터페이스 부재의 양측면에 직접 부착되는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
14. 제13항에 있어서, 상기 제1, 제2 자석들이 제1 인터페이스 부재의 양측면에 접착제로 직접 부착되는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
15. 제1항 내지 8항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 구동코일의 폭이 자체 높이보다 큰 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
16. 제1항에 있어서, 상기 구동코일이 나선형으로 감긴 납작한 도체 와이어로 이루어지고, 이 와이어는 직립하여 감기는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
17. 제16항에 있어서, 상기 와이어의 높이가 두께의 3배 이상인 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
18. 제16항에 있어서, 상기 구동코일이 나선형으로 감긴 도체 리본 와이어로 이루어지고, 리본 와이어가 직립하여 감기는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
19. 제1항에 있어서, 상기 구동코일이 단면이 직사각형인 도체 와이어로 이루어지는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
20. 제6항에 있어서, 상기 자석조립체가 제1 및 제2 자석들 사이의 스페이서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
21. 제20항에 있어서, 상기 스페이서가 철로 이루어지는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
22. 제20항에 있어서, 상기 스페이서가 디스크 형상인 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
23. 제22항에 있어서, 상기 디스크의 직경과 제1, 제2 자석들의 외경이 모두 같은 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
24. 제1항, 제2항 또는 제6항에 있어서, 상기 자석조립체가 제1, 제2 단부캡들을더 포함하고, 한쪽 단부캡은 제1 외측 자극면 위에, 다른쪽 단부캡은 제2 외측 자극면 밑에 위치하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
25. 제24항에 있어서, 상기 단부캡이 철로 구성되는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
26. 제1항, 제2항 또는 제6항에 있어서, 구동코일과 자석조립체 사이의 틈새가 약 0.5mm 내지 5mm인 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
27. 제1항, 제2항 또는 제6항에 있어서, 자석조립체의 자석들은 고정되고 구동코일은 자석에 대해 움직이도록 된 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
28. 제1항, 제2항 또는 제6항에 있어서, 구동코일이 고정되고 자석조립체의 자석들은 구동코일에 대해 움직이도록 된 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
29. 제1항, 제2항 또는 제6항에 있어서, 자석조립체를 고정시키고 구동코일을 자석조립체에 대해 움직이기 위한 지지수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
30. 제1항, 제2항 또는 제6항에 있어서, 버팀대와, 이 버팀대와 구동코일에 부착된 유연한 인터페이스 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
31. 제30항에 있어서, 유연한 인터페이스 부재가 발포체로 이루어진 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
32. ⒜ 축방향으로 자화된 제1 및 제2 디스크 자석들을 구비하고, 이들 자석은 같은 극끼리 마주보게 동축으로 배치되어 축방향 자화에 횡방향으로 방사상으로 퍼져나가는 자기장을 형성하고, 상기 자석들의 최대 외경부는 방사상으로 퍼지는 횡방항 자기장 내부에 위치하는 자석조립체; 및

    ⒝ 소정의 외경과 내경을 갖되 내경이 제1 및 제2 자석들의 최대 외경보다 작은 도전 구동코일;을 포함하고,

    도전 코일은 제1 및 제2 디스크 자석들의 외부에 위치하되 자기장 내부에 있으며;

    자석과 구동코일 사이에 틈새가 있어서 사용중에 구동코일이 자석과 접촉하지 않고;

    구동코일은 소정 높이와 폭을 갖되, 폭은 코일의 내경과 외경의 차이로서 높이보다 크거나 같으며;

    조립되었을 때 구동코일이 자석조립체 가까이 위치하여 이들 사이에 상대적인 축방향 운동이 발생하는 것을 특징으로 하는 전자기 트랜스듀서.
33. ⒜ 축방향으로 자화된 제1 및 제2 와셔형 자석들을 구비하고, 이들 자석은 같은 극끼리 마주보게 동축으로 배치되어 방사상으로 확장하거나 집중하는 두가지 자기장을 모두 형성하고, 상기 자석들의 최대 내경부는 방사상으로 집중하는 자기장 내부에, 최대 외경부는 방사상으로 확장하는 자기장 내부에 위치하는 자석조립체; 및

    ⒝ 소정의 외경과 내경을 갖고, 상기 두가지 자기장들중 하나에 위치하는 도전 구동코일;을 포함하고,

    자석과 구동코일 사이에 틈새가 있어서 사용중에 구동코일이 자석과 접촉하지 않고;

    구동코일은 소정 높이와 폭을 갖되, 폭은 코일의 내경과 외경의 차이로서 높이보다 크거나 같으며;

    조립되었을 때 구동코일이 자석조립체 가까이 위치하여 이들 사이에 상대적인 축방향 운동이 발생하는 것을 특징으로 하는 전자기 트랜스듀서.
34. 제33항에 있어서, 상기 구동코일이 제1 및 제2 와셔형 자석들의 집중 자기장 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 전자기 트랜스듀서.
35. 제34항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자석들의 확장 자기장 안에 위치하는 제2 도전 구동코일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 트랜스듀서.
36. ⒜ 반경방향으로 자화된 하나 이상의 와셔형 자석과, 양쪽의 제1, 제2 외측면들과, 외경면 및 내경면을 구비하고, 외경면에서 시작하여 자석의 외측면에 평행한 방향으로 방사상으로 확장했다가 자석의 내경면으로 궤환하는 자기장을 형성하며, 와셔형 자석의 최소 직경부는 궤환 자기장 내부에, 최대 외경부는 확장 자기장의 내부에 위치하는 자석조립체; 및

    ⒝ 소정의 외경과 내경을 갖고, 궤환 자기장과 확장 자기장들중 하나에 위치하는 도전 구동코일;을 포함하고,

    자석과 구동코일 사이에 틈새가 있어서 사용중에 구동코일이 자석과 접촉하지 않고;

    구동코일은 소정 높이와 폭을 갖되, 폭은 코일의 내경과 외경의 차이로서 높이보다 크거나 같으며;

    조립되었을 때 구동코일이 자석조립체 가까이 위치하여 이들 사이에 상대적인 축방향 운동이 발생하는 것을 특징으로 하는 전자기 트랜스듀서.
37. 제36항에 있어서, 상기 구동코일이 확장하는 자기장 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 전자기 트랜스듀서.
38. ⒜ 하나 이상의 자석을 축방향으로 자화시키고, 제1 및 제2 양쪽 외측 자극면들을 가지며, 축방향에 횡으로 방사상으로 확장하는 자기장을 형성하는 자석조립체를 구성하는 단계;

    ⒝ 외측 사이즈, 내측 사이즈, 높이 및 폭을 갖되, 폭은 내측사이즈와 외측 사이즈의 차로서 적어도 높이보다 크며, 자석조립체의 확장 자기장 내부에 위치하고, 상기 자석과의 사이에 틈새가 있어서 사용중에 자석과 물리적인 접촉이 없는 도전 구동코일을 제공하는 단계; 및

    ⒞ 구동코일과 자석조립체 사이에 상대적인 축방향 운동이 생기도록 구동코일을 자석조립체 가까이 배치하는 단계;를 포함하고,

    상기 상대적 축방향 운동은 왕복경로를 따라 일어나며, 왕복경로의 적어도 일부는 자석의 제1 및 제2 외측 자극면 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서를 형성하는 방법.
39. 제38항의 방법에 따라 형성된 트랜스듀서.
40. ⒜ 하나 이상의 자석을 축방향으로 자화시키고, 제1 및 제2 양쪽 외측 자극면들을 가지며, 축방향에 횡으로 방사상으로 확장하는 자기장을 형성하는 자석조립체;

    ⒝ 외측 사이즈, 내측 사이즈, 높이 및 폭을 갖되, 폭은 내측사이즈와 외측 사이즈의 차로서 적어도 높이보다 크며, 자석조립체의 확장 자기장 내부에 위치하고, 상기 자석과의 사이에 틈새가 있어서 사용중에 자석과 물리적인 접촉이 없으며, 왕복경로를 따라 움직이되, 왕복경로의 적어도 일부는 제1 및 제2 외측 자극면들 사이에 있는 도전 구동코일; 및

    ⒞ 자석조립체와 구동코일중 하나에 연결되는 격막;을 포함하고,

    조립되었을 때 구동코일과 자석조립체 사이에 상대적 축방향 운동이 생기도록 구동코일을 자석조립체 부근에 배치하고;

    구동코일에 전류가 흐르면 자석조립체와 구동코일 사이에 상대운동이 생겨, 격막을 움직여 소리를 생성하는 것을 특징으로 하는 스피커.
41. 제40항에 있어서, 상기 자석조립체는 각각 축방향으로 자화되는 제1 및 제2 디스크형 자석들을 구비하고, 이들 자석은 같은 극끼리 서로 마주보게 동심으로 배치되며, 자석의 최대 외경부는 확장하는 자기장 내부에 위치하며;

    상기 구동코일은 외경과 내경을 갖되, 내경은 제1 및 제2 자석들의 최대 외경보다 크고, 코일의 폭은 코일의 내경과 외경의 차이인 것을 특징으로 하는 스피커.
42. ⒜ 축방향으로 자화되어 있는 제1 및 제2 와셔형 자석들을 구비하고, 이들 자석들은 같은 극끼리 서로 마주보게 동축으로 배치되어 방사상으로 집중하거나 확장하는 두가지 자기장을 형성하고, 이들 자석의 최소 직경부는 집중 자기장의 내부에, 최대 외경부는 확장 자기장의 내부에 위치하는 자석조립체;

    ⒝ 외경과 내경을 갖고, 상기 두가지 자기장들중 하나에 위치하며, 상기 자석과의 사이에 틈새가 있어서 사용중에 자석과 물리적인 접촉이 없으며, 높이와 폭을 갖되 폭은 내경과 외경의 차이이고 적어도 높이보다 큰 도전 구동코일; 및

    ⒞ 자석조립체와 구동코일중 하나에 연결되는 격막;을 포함하고,

    조립되었을 때 구동코일과 자석조립체 사이에 상대적 축방향 운동이 생기도록 구동코일을 자석조립체 부근에 배치하고;

    구동코일에 전류가 흐르면 자석조립체와 구동코일 사이에 상대운동이 생겨, 격막을 움직여 소리를 생성하는 것을 특징으로 하는 스피커.
43. ⒜ 하나 이상의 자석을 축방향으로 자화시키고, 제1 및 제2 양쪽 외측 자극면들을 가지며, 축방향에 횡으로 방사상으로 확장하는 자기장을 형성하는 자석조립체를 구성하는 단계;

    ⒝ 외측 사이즈, 내측 사이즈, 높이 및 폭을 갖되, 폭은 내측사이즈와 외측 사이즈의 차로서 적어도 높이보다 크며, 자석조립체의 확장 자기장 내부에 위치하고, 상기 자석과의 사이에 틈새가 있어서 사용중에 자석과 물리적인 접촉이 없는 도전 구동코일을 제공하는 단계; 및

    ⒞ 구동코일과 자석조립체 사이에 상대적인 축방향 운동이 생기도록 구동코일을 자석조립체 가까이 배치하는 단계;를 포함하고,

    상기 상대적 축방향 운동은 왕복경로를 따라 일어나며, 왕복경로의 적어도 일부는 자석의 제1 및 제2 외측 자극면 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 스피커를 형성하는 방법.
44. 제43항의 방법에 따라 구성된 스피커.
45. 제43항에 있어서, 격막을 제공하고 상기 구동코일과 자석조립체중 하나를 이 격막에 부착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
46. 제45항의 방법에 따라 구성된 스피커.
47. ⒜ 하나 이상의 자석을 축방향으로 자화시키고, 제1 및 제2 양쪽 외측 자극면들을 가지며, 축방향에 횡으로 방사상으로 확장하는 자기장을 형성하는 자석조립체;

    ⒝ 외측 사이즈, 내측 사이즈, 높이 및 폭을 갖되, 폭은 내측사이즈와 외측 사이즈의 차로서 적어도 높이보다 크며, 자석조립체의 확장 자기장 내부에 위치하고, 상기 자석과의 사이에 틈새가 있어서 사용중에 자석과 물리적인 접촉이 없으며, 왕복경로를 따라 움직이되, 왕복경로의 적어도 일부는 제1 및 제2 외측 자극면들 사이에 있는 도전 구동코일; 및

    ⒞ 자석조립체와 구동코일중 하나에 연결되는 격막;을 포함하고,

    조립되었을 때 구동코일과 자석조립체 사이에 상대적 축방향 운동이 생기도록 구동코일을 자석조립체 부근에 배치하고;

    사운드에 의해 자석조립체와 구동코일중 하나와 격막에 물리적인 운동이 일어나고, 자석조립체와 구동코일 사이의 상대운동에 의해 구동코일에 전류가 생성되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
48. 제47항에 있어서, 상기 자석조립체는 각각 축방향으로 자화되는 제1 및 제2 디스크형 자석들을 구비하고, 이들 자석은 같은 극끼리 서로 마주보게 동심으로 배치되며, 자석의 최대 외경부는 확장하는 자기장 내부에 위치하며;

    상기 구동코일은 외경과 내경을 갖되, 내경은 제1 및 제2 자석들의 최대 외경보다 크고, 코일의 폭은 코일의 내경과 외경의 차이인 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
49. ⒜ 축방향으로 자화되어 있는 제1 및 제2 와셔형 자석들을 구비하고, 제1 이들 자석들은 같은 극끼리 서로 마주보게 동축으로 배치되어 방사상으로 집중하고 확장하는 두가지 자기장을 형성하고, 이들 자석의 최소 직경부는 집중 자기장의 내부에, 최대 외경부는 확장 자기장의 내부에 위치하는 자석조립체;

    ⒝ 외경과 내경을 갖고, 상기 두가지 자기장들중 하나에 위치하며, 상기 자석과의 사이에 틈새가 있어서 사용중에 자석과 물리적인 접촉이 없으며, 높이와 폭을 갖되 폭은 내경과 외경의 차이이고 적어도 높이보다 큰 도전 구동코일; 및

    ⒞ 자석조립체와 구동코일중 하나에 연결되는 격막;을 포함하고,

    조립되었을 때 구동코일과 자석조립체 사이에 상대적 축방향 운동이 생기도록 구동코일을 자석조립체 부근에 배치하고;

    사운드에 의해 자석조립체와 구동코일중 하나와 격막에 물리적인 운동이 일어나고, 자석조립체와 구동코일 사이의 상대운동에 의해 구동코일에 전류가 생성되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰.
50. ⒜ 하나 이상의 자석을 축방향으로 자화시키고, 제1 및 제2 양쪽 외측 자극면들을 가지며, 축방향에 횡으로 방사상으로 확장하는 자기장을 형성하는 자석조립체를 구성하는 단계;

    ⒝ 외측 사이즈, 내측 사이즈, 높이 및 폭을 갖되, 폭은 내측사이즈와 외측 사이즈의 차로서 적어도 높이보다 크며, 자석조립체의 확장 자기장 내부에 위치하고, 상기 자석과의 사이에 틈새가 있어서 사용중에 자석과 물리적인 접촉이 없는 도전 구동코일을 제공하는 단계; 및

    ⒞ 구동코일과 자석조립체 사이에 상대적인 축방향 운동이 생기도록 구동코일을 자석조립체 가까이 배치하는 단계;를 포함하고,

    상기 상대적 축방향 운동은 왕복경로를 따라 일어나며, 왕복경로의 적어도 일부는 자석의 제1 및 제2 외측 자극면 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 마이크로폰을 형성하는 방법.
51. 제50항의 방법에 따라 구성된 마이크로폰.
52. 제50항에 있어서, 격막을 제공하고 상기 구동코일과 자석조립체중 하나를 이 격막에 부착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
53. 제52항의 방법에 따라 구성된 마이크로폰.