KR20110063792A - 밸런스드 아마추어 장치의 왜곡을 감소시키는 방법 및 장치 - Google Patents

밸런스드 아마추어 장치의 왜곡을 감소시키는 방법 및 장치 Download PDF

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KR20110063792A
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스티븐 씨. 톰슨
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더 펜 스테이트 리서어치 파운데이션
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Abstract

본 발명의 장치는 구동 신호에 의해 여자되는 구동 코일, 하나 이상의 영구 자석, 및 구동 신호에 의해 유도되는 자속을 위한 하나 이상의 자기 회귀 경로를 포함하며, 밸런스드 아마추어 등의 자기 회귀 경로 요소는 구동 신호에 대한 변위 관계에서 비선형성을 감소시키도록 가변 자기저항을 제공하도록 되어 있다. 밸런스드 아마추어 기기의 아마추어와 같은 트랜스듀서의 자기 회귀 경로의 자속에 대한 자기저항의 특성을 변경함으로써, 장치의 다른 부분에서 생기는 비선형성을 보상할 수 있다.

Description

밸런스드 아마추어 장치의 왜곡을 감소시키는 방법 및 장치{METHODS AND APPARATUS FOR REDUCED DISTORTION BALANCED ARMATURE DEVICES}
본 발명은 밸런스드 아마추어 장치와 같은 자기(magnetic) 장치와, 이러한 장치의 성능을 개선하는 방법에 관한 것이다.
관련 출원의 참조
본 출원은 2008년 8월 29일에 출원된 미국 가 특허 출원 제61/092,822호에 대하여 우선권을 주장하며, 상기 문헌의 내용을 본 명세서에 참조에 의해 원용한다.
밸런스드 아마추어(balanced armature) 장치는 보청기에 채택된 미니어처 스피커와 같은 오디오 기기에 사용된다. 가동 코일형 스피커(moving coil loudspeaker)는 홈 엔터테인먼트 시스템과 같이 대형의 장치에 더 일반적으로 사용되고 있지만, 가동 코일형 스피커는 미니어처 장비에 사용하기에는 비효율적이다. 그러나, 종래의 밸런스드 아마추어 장치는 일반적으로 바람직하지 않은 왜곡(distortion)이 존재한다.
왜곡을 감소시키는 밸런스드 아마추어 장치를 개발하는 것이 상업적인 성공을 가져다 줄 것이며, 다양한 응용 기기에 대한 바람직한 자기 응답을 갖는 구조체를 설계하는 것이 유용할 것이다.
본 발명의 실시예는 중간 레벨에서 높은 레벨까지의 구동 진폭에서 선형성(linearity)을 개선한 밸런스드 아마추어 장치를 포함한다. 종래의 설계보다 음향 왜곡을 낮춘 미니어처 전기음향 트랜스듀서(miniature electroacoustic transducer)를 제조하는 데에, 본 발명의 모터를 사용할 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예는 보청기 스피커와 같은 개선된 미니어처 스피커를 포함한다.
본 발명의 밸런스드 아마추어 장치는 모터 또는 발전기가 될 수 있으며, 재료를 선택할 수 있으며 및/또는 구성(예를 들어, 계층화 구성)을 장치의 출력에서의 왜곡을 감소시키도록 할 수 있는 아마추어를 포함한다. 특히, 고조파 왜곡과 상호변조 왜곡(intermodulation distortion)을 종래의 아마추어를 사용할 경우에 존재하는 것보다 크게 낮은 레벨까지 감소시킬 수 있다. 아마추어는 하나 이상의 높은 투자율을 갖는 재료를 포함할 수 있으며, 일부 예에서는 제2 재료가 소정의 구동 레벨 이상에서 제1 재료의 포화된 영역에 대해 자속 분류(flux shunt)를 제공한다.
본 발명의 실시예는 왜곡을 감소시키는 밸런스드 아마추어 스피커를 구비한 보청기와 오디오필 헤드셋(audiophile headset)을 포함한다.
본 발명의 실시예는 가변 자기저항 요소(variable reluctance element)와 이러한 요소를 구비하는 임의의 타입의 가변 자기저항 기기를 더 포함한다. 본 발명의 실시예는 가변 자기저항을 제공하도록 구성된 아마추어를 포함하는 가변 자기저항 기기와 같은 아마추어 기반의 가변 자기저항 기기를 포함한다. 예를 들어, 아마추어는 변위 대 자속 곡선의 선형성을 적어도 부분적으로 증가시키는 자기저항 대 자속 곡선(reluctance versus flux curve)을 갖도록 구성될 수 있다. 본 발명의 실시예는 원통형 기기를 포함한다.
아마추어와 같은 가변 자기저항 요소는 제1 재료 및 제2 재료를 포함하며, 제2 재료는 제1 재료보다 높은 자기저항을 가지며, 제1 재료는 협폭 영역(narrowed region)과 같은 포화 영역을 포함하는데, 이 협폭 영역은 제1 재료의 나머지 부분보다 먼저 포화한다. 제2 재료는 높은 자속의 포화 영역 주위에 자속 분류를 제공한다. 포화 영역은 아마추어의 일부분이 될 수 있으며, 아마추어의 나머지 부분에 비해 단면적이 감소된 협폭 영역을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 재료를 선택하고 및/또는 계층 구조가 단일의 높은 투자율을 갖는 재료만으로 이루어진 경우에 생길 수 있는 것보다 기기의 출력에서의 낮은 왜곡을 제공하도록 구성되는 아마추어를 구비하는 밸런스드 아마추어 장치를 포함한다.
도 1은 밸런스드 아마추어 모터의 예를 나타낸다.
도 2는 다른 밸런스드 아마추어 모터의 단면을 나타낸다.
도 3은 협폭 영역을 갖는 아마추어 구성을 나타낸다.
도 4는 다른 실시예를 나타낸다.
도 5는 종래 장치에 비해 구동 레벨의 함수로서의 왜곡을 나타낸다.
도 6a 및 6b는 가변 자기저항 기기를 나타낸다.
도 7a 및 7b는 원통형 기기의 단면을 나타낸다.
도 8은 구멍의 수치적 최적화가 가능한 등가 회로를 나타낸다.
도 9a 및 9b는 포화 영역 주위의 자속 분류의 기능을 나타낸다.
도 10은 다수의 포화 영역을 사용을 나타낸다.
도 11a-11c는 다층 아마추어를 나타낸다.
도 12는 단일 자석 밸런스드 아마추어 장치를 나타낸다.
본 발명의 실시예는 종래의 장치에 비해 왜곡(distortion)을 감소시킨 밸런스드 아마추어 자기 모터(balanced armature magnetic motor)를 포함한다. 밸런스드 아마추어 장치는 보청기용 미니어처 스피커 등과 같이 귀에 착용하는 스피커 및 다른 미니어처 오디오 장치와 같은 다양한 응용 기기에 사용할 수 있다.
밸런스드 아마추어 자기 모터는 한 쌍의 자석 사이의 갭(gap)에 위치하는 단부(end portion)을 갖는 아마추어를 포함한다. 구동 신호가 인가되지 않는 경우에는, 아마추어는 상기 갭의 중간에 위치하며 자석으로부터 아마추어에 작용하는 자기력이 균형을 이룬다. 구동 신호는 아마추어의 일부 주위로 권취된 구동 코일을 사용하여 인가될 수 있다. 구동 신호는 아마추어와 자석들 중 하나의 자석(구동 신호의 극성에 따라 다름) 사이의 인력(attractive force)을 증가시켜, 아마추어가 해당 자석 쪽으로 변위되도록 한다. 아마추어는 충분한 강성(rigidity)을 가짐으로써, 아마추어가 자석 쪽으로 너무 편향되어 자석에 붙지 않도록 하는 것이 바람직하다. 아마추어 포화(armature saturation)는 구동 신호의 세기가 증가함에 따라 편향을 실질적으로 증가시키지 않도록 하여 아마추어가 너무 많이 편향되는 것을 방지하는 데에 도움이 될 수 있으며, 아마추어 붕괴(collapse) 및 로크업(lock-up)이라고도 하는, 아마추어가 자석에 접촉해서 붙게 되는 것을 피하는 데에 도움이 된다.
밸런스드 아마추어 장치에서의 아마추어 편향은 아마추어의 편향이 작을 때에는 대략 선형적이다. 그러나, 아마추어와 자석 사이의 자기력은 아마추어가 자석 쪽으로 편향됨에 따라 증가하는 경향이 있다. 이에 의해, 밸런스드 아마추어 장치가 고조파 왜곡(harmonic distortion)이라는 반응을 하게 되며, 이것은 스피커와 같은 기기에서 문제가 된다. 종래의 장치에서, 고조파 왜곡은 아마추어 포화의 효과가 생길 때까지 구동 신호의 세기에 따라 증가한다.
완전한 아마추어 포화는 더 높은 구동 신호에서 발생한다. 종래의 장치에서, 아마추어 포화의 시작은 처음에 자기 왜곡(magnetic distortion)에 대항하여 작용하고, 이후 신호 세기에 따라 왜곡이 급격히 증가한다. 완전 아마추어 포화에 의해 높은 구동 레벨에서 매우 높은 왜곡이 생기고, 실질적인 구동 신호 세기에 효과적인 상한(upper limit)을 제공한다. 이러한 높은 구동 레벨에서의 동작은 바람직하지 않기 때문에, 아마추어의 완전 포화의 시작만으로는 고조파 왜곡 문제에 효과적인 해결방안을 제시하지 못한다.
본 발명의 실시예는 아마추어의 부분적인 포화, 예를 들어 아마추어의 협폭(narrowed) 영역과 같이 아마추어의 일부분의 포화를 사용하여 왜곡을 보다 효과적으로 감소시킨다.
높은 구동 신호 세기라는 표현은 아마추어의 완전 포화에 가까운 또는 이를 넘어서는 구동 신호를 의미할 수 있다. 중간 신호 세기라는 표현은 전체 아마추어의 포화를 일으키지만 이를 넘어서면 고조파의 발생이 문제가 되는 세기(종래)보다 낮은 신호 세기를 의미할 수 있다. 낮은 구동 신호는 장치의 응답이 종래의 장치에 대해서는 효과적으로 선형이 되는 것이다.
본 발명의 예에서는, 아마추어의 자기 특성이 중간 신호 세기에서 고조파 왜곡을 감소시키도록 변경한다. 이러한 신호 세기는 아마추어를 완전히 포화시키거나 완전 포화의 개시를 유도하는 데에 필요한 것보다 상당히 낮다. 구동 신호라는 표현은 구동 코일, 또는 아마추어의 자유 단부의 편향을 유도하는 데에 사용되는 자속(magnetic flux)에 인가되는 전기 신호를 의미할 수 있다.
일례로, 아마추어의 협폭 영역(narrowed region)과 같은 아마추어 일부의 포화는 제1 구동 신호 세기(drive signal strength)에서 생기며, 아마추어의 나머지 부분의 포화는 높은 구동 신호 세기에서 이루어진다. 낮은 투자율(magnetic permeability)(높은 자기저항)의 플랭크(flanking) 부분이 이러한 협폭 영역에 인접하게 제공될 수 있다. 협폭 영역의 포화 이후에, 플랭크 부분[포화된 영역 주위의 자속 분류(flux shunt)로서 작용]에 의해 자속이 추가로 증가하지만, 총 아마추어 자기저항(reluctance)은 협폭 영역의 포화 및 자기 회로에서의 플랭크 부분의 존재에 의해 증가한다. 총 아마추어 자기저항의 증가는 고조파 왜곡의 영향을 보상하도록 하여, 고조파 왜곡이 적절하게 감소되도록 할 수 있다.
아마추어의 나머지 부분에 사용되는 재료보다 높은 자기저항을 갖는 자성 재료를 포함하여 이루어진 플랭크(flanking) 부분은 다층 구조체의 일부분과 같이 아마추어의 일부분이 될 수 있다. 일례로, 플랭크 부분은 아마추어에 이웃하는 것과 같이 아마추어에 근접한다. 플랭크 부분은 구동 신호용 자기 회로의 일부를 제공하며, 예를 들어 다층 구조체에서 평행한 층, 다중 링(multi-ring) 구조체의 부품, 이웃하는 부품, 주위 영역, 관형 구조체(tubular structure)의 코어, 또는 다른 구성과 같은 플랭크 재료보다 낮은 구동 자기장(drive field)에서 포화하는 협폭 영역에 평행한 자기 회로 요소를 포함할 수 있다.
협폭 영역은 플랭크 부분에 의해 달성될 수 있으며, 아마추어 재료보다 높은 자기저항에서 평행한 자기 경로(parallel magnetic path)를 제공한다. 협폭 영역의 포화 이후에, 플랭크 부분에 자속이 포함될 수 있다.
아마추어는 일반적으로 U자형의 형태를 가지며, 자기 갭(magnetic gap) 내에 단부를 갖는 실질적으로 직선형인 제1 부분(U자형 중의 한 변에 해당), 곡선형 부분, 및 아마추어에 부착되는 실질적으로 직선형인 제2 부분을 포함한다. 구동 코일은 제1 부분상에 설치될 수 있으며, 제1 부분은 편향가능한 부분(deflectable segment)이 된다. 제2 부분은 구동 신호에 의해 자석에 대하여 상대적으로 편향되지 않는 상대적 비편향 부분이 될 수 있다. 아마추어는 E자형, 선형 등과 같이 다른 구성도 가능하다. 일례로, 본 발명에 따른 구성은, 예를 들어 서포트 구조체, 베이스 또는 장치의 다른 부분 내에, 또는 아마추어 요소의 포화된 부분(예를 들어, 협폭 영역) 주위의 자속 분류로서 효과적으로 작용할 수 있는 어떠한 위치에 구동 신호용의 자속 회귀 경로(flux return path) 중의 어느 부분에도 존재할 수 있다.
본 발명의 실시예는 포화보다 낮은 모든 구동 레벨에 대한 변위(displacement)에서 왜곡을 실질적으로 감소시키는 밸런스드 아마추어 자기 모터의 구조체에 대한 변형예를 포함한다. 모터 내에 자기 부분을 적절하게 설계함으로써, 왜곡은 구동 레벨이 증가해도 균일하게 낮은 상태를 유지한다. 전체 아마추어의 포화가 일어날 때에만 왜곡이 증가하기 시작한다.
아마추어 자기저항은 그 길이의 일부를 따라 아마추어의 단면적을 감소시킴으로써 변경될 수 있으며, 일례로 플랭크 부분을 구비함으로써 협폭 영역의 포화 이후에 대체(즉, 자속 분류로서) 자속 경로를 제공할 수 있다.
변경예에는 아마추어의 길이를 따라 일부 영역에서 아마추어의 일부분의 구성 및/또는 형태를 변경한 예를 포함한다. 이러한 변경에 대한 가능한 위치는 요크에 고정된 단부 부근이다. 그러나, 자기 갭 내를 제외하고, 아마추어의 길이에 따른 어떤 위치에서도 동일한 종류의 변경이 가능하다. 이러한 다른 위치가 바람직한 예가 있을 수 있다. 변경예는 아마추어에 따른 임의의 위치에서 하나 이상의 지점에 위치될 수 있다.
밸런스드 아마추어 스피커에서, 아마추어에서의 자기 포화에 의해 최대 출력 레벨이 제한될 수 있다. 포화는 안정화를 위해 장치 내에 의도적으로 설계될 수 있다. 개념상, 포화가 높은 구동 레벨에서 일어나도록 장치를 재설계하는 것이 가능하여야 한다. 그러나, 장치를 설계함에 있어서 다른 모든 것을 그대로 유지하였다면, 중간 구동 레벨에서 실질적으로 높은 왜곡이 생길 것이다. 따라서, 소정 크기의 장치의 경우, 중간 구동에서 최대 출력과 포화 사이에 일정한 관계가 있을 수 있다.
본 발명의 실시예는 중간 구동 레벨에서 왜곡을 감소시키는 방법으로서, 왜곡을 증가시키지 않으면서 높은 출력에 대해 모터의 재설계가 가능한 방법을 제공한다. 본 발명의 밸런스드 아마추어 스피커 설계에서는, 출력을 6dB에서 10dB까지 증가시키면서 동시에 왜곡을 감소시킬 수 있다.
또한, 허용가능한 왜곡 수준에서 출력 레벨을 증가시킬 수 있는 능력에 의해, 특정 음향 출력 레벨의 보청기에 더 소형의 스피커를 사용할 수 있게 된다. 이에 의하면, 소형 구성이 가능하고 보청기가 덜 보이게 할 수 있으며, 외이도(ear canal) 내에 더 양호하게 착용할 수 있는 스피커에 의해 사용자에게 더 양호한 음향 솔루션을 제공할 수 있다.
도 1은 아마추어의 자유 단부가 자기 에어 갭에서 진동(vibrate)하는 밸런스드 아마추어 모터의 예를 나타낸다. 본 장치(10)는 아마추어(armature)(12), 구동 코일(drive coil)(14), 제1 및 제2 영구 자석(18, 20), 및 자기 요크(magnetic yoke)(16)를 포함하며, 구동 코일은 와이어 코일이 아마추어의 일부를 둘러싸도록 위치한다. 아마추어(12)는 일반적으로 U자형이며, 제1 및 제2 자석 사이의 갭 내에 위치하는 단부(22)와 자기 요크에 이웃하는 제2 단부를 포함한다. 단부(22)는 자기력 하에서 자유롭게 이동이 가능하게 되어 있으며, 구동 코일(14)을 통해 구동 신호가 인가되지 않은 상태에서는, 단부가 2개의 영구 자석(18, 20)으로부터 등거리에 위치한다.
본 발명의 실시예에서, 아마추어는, 예를 들어 구동 진폭에 대한 변위의 왜곡을 감소시키는 방식으로 구동 신호 세기의 함수로서 변화하는 자기저항(reluctance)을 제공하는 변경 영역(26)을 갖는다. 이와 관련해서, 왜곡은 구동 진폭의 함수로서 아마추어의 단부의 선형 변위로부터의 편차이다.
본 예에서, 에어 갭 내에 2개의 영구 자석으로부터 실질적으로 일정한 정자기장(static magnetic field)이 생긴다. 이러한 정자기장에 대한 회귀 경로(return path)는 자기 요크에 의해 제한된다. 일반적으로 높은 투자율(permeability)의 재료를 포함하여 이루어진 U자형의 아마추어는 한쪽 끝이 2개의 자석 사이의 에어 갭 내에 설치되고 다른 쪽 끝이 자기 요크의 자기적 중립 지점에 설치된다. 아마추어 중에서 자기 요크의 바깥쪽에 있는 부분은 추가의 AC 자기 여자(magnetic excitation)를 제공하는 와이어 구동 코일을 통과한다.
영구 자석이 동일하게 자화된다면, 아마추어의 자유 단부는 에어 갭 내에 정확하게 중앙에 위치하고, 코일에 전류가 인가되지 않은 경우에는, 아마추어에 자속이 생기지 않는다. 아마추어의 위쪽 및 아래쪽의 갭에서 아마추어에 자기력이 존재한다. 이러한 자기력은 동일하고 서로 반대 극성이기 때문에, 아마추어에 작용하는 합력(net force)은 없다. 그러나, 이것은 불안정한 평형 상태이다. 아마추어가 어느 한쪽 방향으로 이동된다면, 더 작은 갭에서의 힘은 증가하고 더 넓은 갭에서의 힘은 감소하게 되어, 합력에 의해 아마추어가 중심으로부터 먼 쪽으로 당겨지게 된다. 아마추어의 스프링 강성(spring stiffness)은 아마추어가 자석들 중 하나의 자석에 닿지 않도록 충분히 강해야 한다.
아마추어가 갭 내에 일정하게 유지되고, 전류가 코일 내에 흐르기 시작하면, 아마추어, 에어 갭 및 자기 요크에 추가의 자속 루프(magnetic flux loop)가 형성된다. 추가의 자속은 어느 하나의 갭에서는 자속을 추가하고 다른 갭에서는 해당 자속을 빼는 것이다. 이것은 아마추어에 작용하는 자기력을 불평형하게 한다. 아마추어가 자유롭게 이동한다면, 이러한 불평형력에 의해 아마추어의 단부가 새로운 평형 위치로 이동하게 되는데, 이 평형 위치에서는 아마추어의 기계적 탄성력이 자기력에 의해 평형하게 된다. 코일에 작은 AC 신호가 인가되면, 아마추어의 변위는 코일 전류에 대략 비례한다.
이러한 장치에서 생기는 불연속성(nonlinearity)에는 두 가지 중요한 요인이 있다. 그 첫 번째는 자기 비선형성(magnetic nonlinearity)이다. 아마추어가 정적 평형 위치에서 벗어남에 따라, 아마추어는 가까이에 있는 자석에 의해 더 강하게 끌린다. 합력은 거의 선형이지만, 작은 입방 비선형성(cubic nonlinearity)을 갖는다. 탄성력이 선형인 경우, 자기력에서의 불평형의 입방 비선형에 의해, 자기력에 대한 아마추어의 변위에 왜곡이 생긴다.
비선형성의 두 번째 요인은 아마추어에서의 자기 포화이다. 아마추어가 높은 진폭에 의해 이동함에 따라, 아마추어에 자속이 생긴다. 수신기는 아마추어가 자석과의 거리보다 작은 진동 진폭에서 포화하도록 특별히 설계되는 경우가 있다. 아마추어가 포화되면, 아마추어를 자석 쪽으로 이동시키는 추가의 자기력은 없다.
이러한 두 가지 효과를 결합하면, 낮은 구동 진폭에서의 자기력은 실질적으로 선형으로 된다. 높은 진폭에서는, 자기력에서의 입방 비선형성에 의해 선형보다 더 빠른 변위에 의해 자기력이 생긴다. 이것은 중간의 구동 진폭의 경우에 계속되며, 어느 정도의 기수 고조파 왜곡(odd harmonic distortion)을 생기게 한다. 진폭이 계속해서 증가함에 따라, 포화가 생기기 시작한다. 큰 변위에서 자기력을 감소시키는 포화는 낮은 진폭에서 존재하는 입방 자기 비선형성을 부분적으로 상쇄시킨다. 이에 의해, 왜곡이 낮은 레벨에서 시작해서, 중간 레벨에서 증가하고, 포화가 시작됨에 따라 크게 감소했다가, 포화가 계속 증가함에 따라 다시 매우 빠르게 증가한다.
앞서 설명한 방안에서, 자기 장치는 자기저항이 가능하면 낮은 아마추어를 구비하고, 아마추어가 자석과 접촉하기 전에 아마추어의 포화가 생기도록 한다. 이와 함께, 이들 특징에 의해, 장치는 높은 민감도를 가지며, 아마추어가 자석에 닿는 것을 방지한다.
본 발명의 실시예는 포화 이하의 중간 구동 레벨에서 왜곡을 감소시키고, 어떤 경우에는 바람직하지 않은 비선형 응답에 대항하여 작용하도록 아마추어의 전체적인 자기저항을 증가시키는 방식으로 설계된 변경예를 포함한다. 이전의 방안은 일반적으로 특정 구동 범위 내에서 아마추어의 자기저항이 증가되지 않도록 하는 것이다.
일례로, 아마추어 회귀 경로의 자기저항 및 포화 특성은 자기력에 대한 아마추어의 변위 특징에서의 비선형성을 감소시키는 방식으로 변경한다. 이것은 다양한 방식으로 구현될 수 있는데, 아마추어 자기 경로의 일부에 층형 구조체를 설치하고, 어떤 경우에는 아마추어의 부분적인 포화, 예를 들어 아마추어의 일부분은 포화되고 나머지 부분은 포화되지 않도록 해서 아마추어의 부분적인 포화를 달성하기 위해 아마추어 일부분을 협폭화(단면적을 감소시킴)함으로써 구현되는 것을 포함한다.
예를 들어, 아마추어는 제1 층과 제2 층을 구비할 수 있으며, 제2 층은 제1 층보다 낮은 투자율과 높은 자기저항을 갖도록 한다. 낮은 자속에서, 제1 층은 실질적으로 모든 자속을 포함할 수 있다. 제1 층의 적어도 일부분의 포화에서, 나중에 자속 분류로서 작용하는 제2 층이 추가의 자속을 포함한다.
도 2는 다른 밸런스드 아마추어 모터(30)의 단면을 나타낸다. 이 밸런스드 아마추어 모터(30)는, 아마추어(32), 구동 코일(34), 자기 요크(36) 및 영구 자석(38, 39)을 구비한다. 아마추어의 단부(42)는 자석 사이의 에어 갭에 위치한다.
구동 전류에 대한 변위의 왜곡은, 자기력 대 변위의 관계에서의 비선형성에 의해 생긴다. 자석이 동일하게 자화되고 아마추어가 정확히 중앙에 위치하면, 자기력은 작은 변위에 대해서는 실질적으로 선형이 되지만, 아마추어가 자석에 더 근접하게 됨에 따라 아마추어를 더 강하게 끌어당기는 입방 비선형성을 갖는다.
아마추어는 이러한 비선형성을 보상하도록 변경된다. 아마추어의 아암(arm)(40)은 단면적을 감소시킨 협폭 영역(42)을 갖는데, 이 협폭 영역은 아마추어의 나머지 부분보다 더 낮은 자속에서 포화된다. 플랭크 부분(44)은 협폭 영역이 포화된 이후에 대부분의 자속을 포함하는, 협폭 영역 주위의 자속 분류로서 작용한다. 플랭크 부분은 아마추어의 나머지 부분보다 높은 자기저항을 갖기 때문에, 협폭 영역의 포화는 아마추어의 총 자기저항을 증가시킨다.
도 3은 본 발명을 구현한 예를 나타낸다. 본 예에서, 아마추어의 금속(metal)은 짧은 부분(42)에서 폭이 좁게 되어 있으며, 낮은 투자율(높은 자기저항)을 갖는 제2 재료를 포함하여 이루어진 플랭크 부분(44)은 협폭 영역의 바로 아래에 이 영역에 걸쳐 부착된다. 도 3은 플랭크 부분(44) 부근에 위치한 아마추어의 일부분을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 상단 층은 짧은 영역에서 폭을 감소시킨 변경을 행한, 표준 장치의 아마추어가 될 수 있다. 바닥 층은 아마추어보다는 상대적으로 투자율이 낮지만 여전히 투자율이 높은 재료로 이루어질 수 있다.
낮은 구동 레벨에서, 아마추어는 종래의 구성과 유사하게 동작한다. 아마추어가 더 높은 투자율(낮은 자기저항)을 가짐에 따라, 대부분의 자속이 제1 층의 협폭 영역(44)을 통과한다. 그러나, 아마추어의 협폭 영역은 협폭이 아닌 아마추어 부분에 대해서보다 낮은 구동 레벨(그리고 낮은 자속 레벨)에서 포화하기 시작한다. 제2 층은 자속 분류(flux shunt)로서 작용하기 시작해서, 제1 층의 협폭 부분을 포화시키기에 필요한 것 이상의 초과 자속을 갖게 된다. 구동 레벨이 더 높은 레벨로 계속 증가함에 따라, 자속은 제1 층의 협폭 부분 아래의 제2 층 재료로 방향을 바꾼다.
신호 세기가 협폭 영역의 포화 이상으로 증가하면, 높은 편향을 위해 아마추어의 끝 부분과 자석 사이의 증가된 자기력을 보상하는 아마추어의 증가된 총 자기저항의 효과에 의해, 왜곡이 감소한다.
도 4는 아마추어 아암(40)의 일부분의 협폭 영역(42)을 포함하며 플랭크 부분(44)이 자속 분류를 제공하는 변경예를 나타낸다. 도 4는 협폭 영역을 포함하는 아마추어 구성을 나타낸다. 본 예에서는, 왜곡이 낮은 레벨에서 시작하고, 아마추어가 가장 폭이 좁은 영역에서 포화를 시작할 때까지 증가한다. 이러한 자속 레벨에서, 추가의 자속은 플랭크 부분을 통해 분류된다. 총 자기저항이 증가함에 따라 왜곡이 감소되어, 자속과 변위 사이에 선형 관계를 유지할 수 있다. 구동 전류가 추가로 증가함에 따라, 포화 영역은 아마추어의 협폭 영역을 더 많이 포함하도록 늘어난다. 협폭 영역의 외형(contour)은 자기력과 변위 사이의 선형 관계를 유지하기 위한 적절한 방식으로 자기저항이 증가하도록 선택될 수 있다.
도 5는 변경되지 않은 아마추어를 갖는 종래의 장치의 구동 레벨에 대한 전체 왜곡의 곡선[곡선(50)]과, 예를 들어 도 2 및 도 3에 나타낸 것과 같은 본 발명의 실시예에 따른 개선된 아마추어[곡선(52)]를 나타낸다. 낮은 구동 레벨에서는 이들 곡선이 유사하다.
개선된 아마추어의 왜곡 곡선(52)은 협폭 영역이 포화되고 아마추어의 총 자기저항이 증가함에 따라, 곡선(50)의 아래로 떨어진다. 협폭 영역의 포화가 계속 진행됨에 따라, 자속은 낮은 투자율의 재료를 통해 분류되고, 아마추어에서의 자기 경로의 일부가 된다.
구동 레벨이 더 증가함에 따라, 개선된 장치의 왜곡은 다시 증가하고, 제1 층의 완전한 폭을 가진 부분(또는 제2 층)에서 포화가 일어날 때까지 계속해서 증가될 것이다. 이 레벨에서, 초기 포화가 자기저항을 증가시킴에 따라 왜곡이 급격히 다시 감소하고, 포화가 완료되면, 왜곡이 급격히 증가한다.
아마추어의 전체 폭이 포화하는 구동 레벨에서, 왜곡은 종래의 장치와 유사한 방식으로 다시 증가한다. 아마추어의 최고 왜곡 이하의 구동 레벨에 대한 왜곡의 피크값은 종래의 설계에서보다 훨씬 낮다.
종래 장치의 특징은 중간 구동 레벨에서 왜곡이 증가하고, 아마추어가 포화되기 시작함에 따라 급격히 감소하고, 구동 레벨이 더 증가함에 따라 포화가 계속되면서 다시 급격히 증가하는 것이다. 구동 레벨의 함수로서의 왜곡은 포화에 따라 급격히 증가한다.
도 6a는 자유 단부(72) 및 고정 단부(74)를 갖는 아마추어(62), 코일(64), 및 자석(66, 68)을 포함하는 가변 자기저항 장치(60)의 예를 나타낸다. 이 장치는 밸런스드 아마추어 장치와 유사하며, 유사한 아마추어 변형예(예를 들어, 자기적으로 평행한 자속 분류를 가진 협폭 영역)가, 예를 들어 변경 영역(76) 내에 적용될 수 있다.
본 예에서, 코일(64)은 대략 U자형인 아마추어의 하나의 아암 주위에 배치되고, 아마추어의 다른 아암은 영구 자석(66)을 지지한다.
도 6b는 아마추어(62)가 협폭 영역(80) 및 플랭크 부분(78)을 포함하는 변경 영역(76)을 갖는 변형예를 나타낸다. 앞서 설명한 바와 같이, 플랭크 부분(78)은 협폭 영역(80)이 포화될 때에 자속 분류로서 작용한다.
도 7a는 가변 자기저항 타입의 장치의 다른 예를 나타낸다. 본 장치는 표시된 축을 중심으로 원통형의 대칭을 이루고 있으며, 진동 전류가 코일(104)에 존재할 때에 다이아프램(diaphragm)(100)에서 굽힘 운동(flexural motion)이 여기 상태로 된다. 본 예에서, 아마추어는 전체적으로 원형이며, 에지에서 고정되어 있으며 중앙에서 가장 큰 움직임을 갖는다. 본 장치는 원통형 케이스(102), 베이스(106), 영구 자석(108), 및 극 부분(110)을 더 포함한다.
동작은 다른 예와 유사하다. 자석(108)과 다이아프램(112) 사이에는 일정한 인력이 작용한다. 다이아프램의 경성은 자석과 다이아프램 사이의 분리를 유지하기에 충분한 것이 바람직하다.
코일에서의 전류는 자석과 다이아프램 사이의 갭에서의 자속을 변화시키고 다이아프램에 진동력이 발생한다. 이 힘은 비선형이며, 다이아프램이 자석으로부터 멀리 있는 경우보다 자석 쪽으로 이동했을 때에 더 크다.
자석 회귀 경로 중의 하나 이상의 부분에 대하여, 밸런스드 아마추어 장치와 관련해서 앞서 설명한 것과 유사한 자기적 변형을 제공할 수 있다. 예를 들어, 변형예로서, 영역(112)을 다이아프램에 제공할 수 있다. 원통형 구조에서, 본 구성은 아마추어에서보다 더 복잡하게 될 것이다. 예를 들어, 다이아프램(또는 자기 회귀 경로에서의 다른 요소)은 2층(또는 그 이상) 구조체가 될 수 있으며, 높은 투자율을 갖는 층은 포화가 일어날 작은 영역을 만드는 컷아웃 부분을 갖는다.
도 7b는 변형예를 상세하게 나타내는 것으로서, 다이아프램(100)은 대략 원형인 컷아웃 부분(114)을 포함하는데, 이 컷아웃 부분은 원형의 협폭 영역을 만든다. 컷아웃 부분의 영역에 이웃해서 대략 원형인 플랭크 부분(116)이 제공되어, 자속 분류를 제공한다.
본 발명의 예는 본 명세서의 다른 곳에서 언급한 바와 같이 변형될 수 있는 아마추어를 구비하는 가변 자기저항 장치와 같은 임의의 아마추어 가변 자기저항 장치를 포함한다. 본 발명의 예는 어떤 경우에 제조 비용을 절감할 수 있는 원통형 장치를 더 포함한다.
도 8은 아날로그 회로로 표현한 밸런스드 아마추어 트랜스듀서(예를 들어, 도 1에 나타낸 장치)의 자기 회로를 나타낸다. 이 회로의 분석은 이하 더 구체적으로 설명하며, 아마추어의 자기저항과 구동 전류 동작이, 구동 전류와 아마추어 변위 사이의 선형 관계를 얻기 위해 수치로 설계될 수 있는 것을 나타낸다.
도 9a는 도 3 및 도 4에 나타낸 것과 유사하게, 협폭 부분(142)과 플랭크 부분(144)을 포함하는 아마추어(140)의 일부의 단면을 나타낸다. 본 예에서, 협폭 부분의 두께는 주변 아마추어에 비해 감소되어 있다. 다른 예로서, 폭 및/또는 두께는 단면적을 감소시키도록 되어 있다.
도 9b는 협폭 영역을 포화시키기에 필요한 것 이상의 구동 전류에 대하여, 플랭크 부분이 포화 영역 주위의 자속 분류로서 작용하는 것을 나타낸다. 그러나, 자속 분류로서 작용하는 플랭크 부분은 아마추어의 분류된 부분의 낮은 자기저항보다 높은 자기저항을 갖는 경우, 아마추어의 총 자기저항이 증가한다.
도 10은 제1 협폭 영역(162) 및 제2 협폭 영역(164)을 포함하는 아마추어 부분(160)을 갖는 아마추어를 나타낸다. 도 10은 제2 협폭 영역을 포화시키기에 필요한 것보다 높지만 제1 협폭 영역을 포화시키기에 필요한 것보다는 낮은 구동 자기장에 대한 자속 방향을 나타낸다. 이 경우, 플랭크 부분은 제2 협폭 영역에 대한 자속 분류로서 작용한다. 2개의 협폭 영역이 포화하는 높은 자기장에서, 플랭크 부분은 2개의 협폭 영역에 대해 자속 분류로서 작용한다.
도 11a-11c는 협폭 영역을 필요로 하지 않는, 아마추어 중 일부 또는 모두에 사용되는 다층 구조체(180)를 나타낸다. 도 11a는 제1 층(182), 제2 층(184), 및 제3 층(186)을 나타낸다. 각 층의 길이당 자기저항은 제1 층, 제2 층 및 제3 층(가장 높은 층)의 순으로 증가한다. 제1 층은 종래의 설계에 비해 상대적으로 얇게 되어 있다.
도 11a는 낮은 자속 F1에서, 포화되는 층이 없고, 대부분의 자속이 제1 층에 의해 전달되는데, 가장 낮은 자기저항을 갖기 때문이다. 도 11b는 높은 자속 F2(F2>F1)에서, 제1 층이 포화하고 대부분의 자속이 제2 층에 의해 전달된다. 도 11c는 높은 자속 F3(F3>F2)에서, 제1 및 제2 층이 포화되고, 대부분의 자속이 제3 층을 통해 전달된다.
그러므로, 아마추어는 적어도 2개의 층으로 형성된 다층 부분을 포함하는데, 제1 층은 제2 층보다 낮은 자속 레벨에서 포화하고, 제2 층은 제1 층보다 높은 자기저항을 갖는다. 제1 층 전체는 포화 영역이 되고, 자속은 제2 층으로 분류된다. 아마추어는 투자율과 두께가 상이한 이러한 다수의 층을 포함할 수 있으며, 추가의 얇거나 다른 방식으로 제한된 영역을 추가할 필요 없이, 자속에 대한 아마추어 자기저항의 관계를 원하는 관계로 구성할 수 있다.
도 12는 도 2의 변형예로서, 자기 요크에 의해 지지되는 한 쌍의 영구 자석을 단일의 영구 자석(202)으로 대체하고, 단부(204, 206)를 가진 약간 변형한 자기 요크(200)를 포함한다. 자기 요크의 단부 사이에는 갭이 존재하며, 아마추어(42)의 단부는 갭 안으로 연장하여, 아마추어의 위쪽과 아래쪽에 2개의 갭을 규정한다(도시되어 있음). 본 예에서, 자기 요크는 자속을 영구 자석으로부터 갭으로 이동시키는 데에 사용된다. 다른 예에서, 단일의 자석은 자기 요크 내의 임의의 위치에 위치해도 되며, 자기 요크는 자속을 갭으로 전달하는 데에 사용된다.
아마추어 자기저항(armature reluctance)
아마추어의 자기저항은 R=l/μ0μA로 표현할 수 있으며, l은 길이를 나타내고, μ0는 자유 공간의 투자율이고, μ는 재료의 상대적인 자기 투자율이며, A는 단면적을 나타낸다.
종래의 장치에서, 단면적 A는 아마추어의 길이에 따라 일반적으로 일정하며, 길이당 자기저항(R/l)은 아마추어의 길이를 따라 실질적으로 일정하다. 아마추어의 포화 자기장은 아마추어의 전체 길이를 따라 대체로 일정하다. 아마추어는 자기 요크 아래의 영역이 약간 더 넓게 해서, 아마추어와 자기 요크 사이의 부착 영역을 증가시킬 수 있다. 그러나, 종래의 장치에서는, 아마추어의 폭을 좁게 하거나, 자기저항을 증가시킬 어떠한 다른 특징도 없다.
본 발명의 예로서, 단위 길이당 자기저항 R'는 아마추어의 길이를 따라 변화한다[기호 R은 자기저항(reluctance)을 나타내며, R'는 단위 길이당 자기저항을 의미함]. 아마추어는 R'의 제1 값을 갖는 제1 부분, R'의 제2 값 및 제3 값을 갖는 제2 부분 및 제3 부분을 포함할 수 있다. R'의 제1 값은 제2 값 또는 제3 값보다 작게 해도 된다.
일례로, 아마추어는, 예를 들어 테이퍼링되거나 협폭화된 영역과 같이 단면적이 감소된 부분 A를 포함한다. 협폭화(narrowing)는 폭을 감소시키거나 및/또는 두께를 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 협폭 영역에 대한 자기 포화 자속은 아마추어의 다른 영역에서보다 작기 때문에, 협폭 영역은 아마추어의 다른 부분보다 낮은 구동 신호 세기에서 포화한다.
플랭크 부분은 협폭 영역에 근접해서 위치시킴으로써, 자속에 대해 평행한 경로를 허용하고, 플랭크 부분의 자기저항은 아마추어의 다른 부분보다 더 클 수 있다. 따라서, 아마추어의 자기저항은 협폭 영역을 포화시키기에 필요한 부분과 아마추어의 나머지 부분을 포화시키기에 필요한 부분 사이에서 구동 자기장에 대해 증가된다. 그러나, 자기저항의 증가는 작은 구동 자기장 세기에 비해 상대적으로 작을 수 있으며(예를 들어, 0.1%~10%), 협폭 영역과 플랭크 부분의 설계에 의해 바람직하게 제어될 수 있다.
따라서, 아마추어의 포화 특성은 아마추어를 전체적으로 포화시키기 위해 요구되는 자기장보다 훨씬 작은 중간 신호 세기에서의 고조파 왜곡을 감소시키도록 변경될 수 있다. 일례로, 아마추어 요소의 포화는 중간 신호 세기에서 이루어지며, 아마추어의 완전한 포화는 높은 신호 세기에서 이루어진다.
아마추어의 설계 및 재료
본 발명의 예는 이웃하는 아마추어 영역보다 작은 단면적을 갖는 하나 이상의 영역을 갖는 아마추어를 포함한다. 이들 영역은 실질적으로 일정한 두께이지만 폭을 좁게한 영역을 갖는 아마추어를 스탬핑함으로써 달성될 수 있다. 이 폭을 좁게 한 영역을 협폭 영역이라고 한다. 두께 및/또는 폭을 감소한 다른 방안도 가능하다.
아마추어는 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이 2층 구성이 될 수 있으며, 아마추어의 나머지 부분을 단일 층으로 할 수 있다. 플랭크 부분(제2 층)은 아마추어의 일부분으로 해도 되고 별개의 요소로 해도 된다. 어느 경우에서나, 구동 신호용의 자속 회귀 경로의 일부로서 작용한다.
일례로, 아마추어의 일부를 2층으로 구성할 수 있으며, 이러한 아마추어 부분 내에 제1 층의 하나 이상의 협폭 영역이 있을 수 있다.
일례로, 아마추어의 일부 또는 모두가 2층 또는 그 이상의 층을 갖는 다층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 자기장이 증가함에 따라, 제1 층(또는 그 협폭 부분)이 제일 먼저 포화되고, 나머지 층은 포화된 층에 대한 자속 분류로서 작용한다. 더 높은 자기장에서, 제2 및 제3 층 등은 증가하는 자기장 세기에서 포화할 수 있다. 이에 의해, 자기저항에서 정확한 편차를 갖는 요소를 제작할 수 있다.
개선된 아마추어는 코이닝(coining)과 같은 기계적 과정에 의해 생성될 수 있는 협폭 두께의 영역을 포함하는 자성 재료 스트립을 포함할 수 있다. 플랭크 부분은 제2 자성 재료에 의해 제공될 수 있으며, 플랭크 경로는 아마추어의 일부 또는 그 부분에 근접한 부분이 될 수 있다.
일례로, 아마추어는 금속 스트립을 스탬프 아웃(stamp out)해서 형성할 수 있다. 폭을 좁게 한 영역은 이러한 스탬핑 공정 중에 용이하게 형성할 수 있다. 금속 스트립은 대략 U자형 구성으로 구부릴 수 있다.
아마추어는 퍼멀로이(또는 철-니켈 자성 합금)와 같은 종래의 자성 재료, 실리콘 스틸과 같은 철-실리콘 재료, 또는 그외 다른 재료를 포함하여 구성할 수 있다.
아마추어는 제1 투자율을 갖는 제1 재료와 제2 투자율(예를 들어, 제1 투자율의 0.2~0.8)을 갖는 제2 재료를 포함하여 이루어질 수 있다. 제1 재료는 단면적을 감소시킨 영역(협폭 영역)을 가짐으로써, 이 영역이 제1 재료의 나머지 영역이 제2 임계값에서 포화하기 전에 제1 임계값에서 포화하게 된다. 제1 임계값과 제2 임계값 사이의 자기장에서, 플랭크 부분은 자속 분류로서 작용한다. 그러나, 자속 분류의 높은 자기저항은 아마추어의 전체 자기저항을 증가시킨다.
예를 들어, 제1 재료의 상대적인 투자율은 낮은 자기장에서 대략 5,000~10,000(예를 들어, 대략 80,000이며, 수퍼멀로이와 같은 일부 재료의 경우에는 더 높음)이며, 제1 재료가 포화하는 제1 임계값에서 협폭 영역 내의 1 부근까지 떨어진다. 예를 들어, 퍼멀로이는 80,000 이하의 투자율을 가지며, 실리콘 스틸은 더 높을 수 있다.
퍼멀로이, 다른 니켈 철 계의 자화 합금, 실리콘 스틸, 또는 다른 재료 등의 재료는 제1 재료용으로 사용될 수 있다. 제2 재료는 제1 재료보다, 예를 들어 제1 재료의 투자율의 0.05 내지 0.9, 특히 제1 재료의 투자율의 거의 절반인 0.1 내지 0.8의 훨씬 작은 투자율을 가질 수 있다. 이들 범위는 예시에 불과하며, 다른 값도 가능하다. 예를 들어, 제2 재료는 낮은 투자율(제1 재료에 비해)의 자화 합금, 페라이트, 철 및/또는 니켈 또는 그 합금 등을 포함할 수 있다.
제1 임계값 이하에서, 대부분의 자기 자속은 제1 재료에 포함된다. 제1 임계값과 제2 임계값 사이에서, 대부분의 자속은 협폭 영역 부근의 자속 분류에 포함되며, 자기저항은 특정의 용도에 적합하도록 하는 방식으로 증가된다.
분석
당업자라면, 밸런스드 아마추어 트랜스듀서의 자기 회로(예를 들어, 도 1에 도시된 것)는 도 8의 아날로그 회로로 나타낼 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 이러한 모델은 전기 전류가 자기 자속과 유사하고, 전기 전압이 기자력(magnetomotive force)과 유사하다는 관례를 따른다. 회로 내의 저항성 요소는 이하의 식으로 계산되는 값을 갖는 자기저항이다.
Figure pct00001
상기 식에서 ℓ 및 A는 해당 부분의 길이 및 면적이며, μ0는 자유 공간의 투자율이다. DC 전원(F1, F2)은 2개의 자석에 의해 생긴 기자력이다. 자기저항(R1, R2)은 자기 귀환 경로에서 자석들 중 하나의 자석의 자기저항과 나머지 자기저항을 포함한다. Ra는 아마추어의 자기저항이다. 코일은 NI와 동일한 아마추어에 대한 추가의 기자력으로서, N은 코일의 권선수이며, I는 코일 전류이다. 2개의 에어 갭을 Rg1, Rg2로 나타낸다. 이 회로는 2개의 갭 내에 그 중심에 아마추어가 있는 것으로 도시되어 있다. 아마추어가 평형 위치에서 x만큼 변위되어 있다면, 2개의 자기저항은 다음 식과 같이 변화한다.
Figure pct00002
φ1은 상위 루프에서 시계방향으로 흐르는 자속이며, φ2는 하위 루프에서 시계방향으로 흐르는 자속이다. 이 회로는 나타내는 등식은 다음 식과 같이 된다.
Figure pct00003
Figure pct00004
아마추어 변위 x의 임의의 특정한 값에 대하여, 코일 전류는, 자석과 조합하여, 루프 자속 φ1 및 φ2의 값을 설정한다. 아마추어에 대하여 기계적 힘은 다음과 같이 주어진다.
Figure pct00005
아마추어는 이러한 힘에 저항하고, 아마추어의 붕괴가 어느 한쪽의 자석에서라도 발생하지 않도록 하기에 충분한 기계적 강성을 갖는다고 가정한다. 아마추어의 스프링 강성 상수가 k이면, 기계적 시스템은 평형 상태에 있게 되며, 스프링 힘은 자기력 또는 다음과 같이 된다.
Figure pct00006
식 3 및 식 4는 3개의 미지수 φ1, φ2, x로 3개의 등식을 표현한다. 따라서, NI의 함수로서 x에 대해 3개의 등식을 풀 수 있다. x와 NI는 다음의 다항식의 해와 관련되어 있다는 것을 나타낼 수 있다.
Figure pct00007
상기 식에서 X=x/μ0A이다.
상기 식 7은 밸런스드 아마추어 트랜스듀서의 실질적인 비선형성을 나타낸다.
본 명세서에 설명한 방법을 사용하여, 시스템에서 비선형을 제거하도록 설계할 수 있다.
이것은 아마추어 자기저항 Ra를 그것이 포함하는 자속의 비선형 함수가 되도록 함으로써 달성된다. Ra를 Ra+Rax로 대체한다. Ra는 상수이다. 아마추어 자속이 제로일 때 Rax의 값은 제로이며, 구동 전류와 변위 간의 선형 관계를 유지하기 위한 방식으로 자속이 증가함에 따라 증가한다. 이러한 변형에 의해, 식 7은 다음과 같이 된다.
Figure pct00008
한가지 전략은 이 등식의 항을 2개로 분할하는 것이다. 그 하나는 X 및 NI에서 비선형인 모든 항과 인수 Rax를 포함하는 모든 항을 포함한다. 다른 하나는, 선형인 항을 갖는 것으로만 남는다. 이러한 분할에 의해, 등식은 다음과 같이 된다.
Figure pct00009
본 발명의 방법 및 장치에 의하면, 아마추어 자기저항 Rax의 설계에 의해 중괄호 내의 제1 항은 모든 구동 레벨에 대해 제로가 된다.
이것은 다음 식과 같이 된다.
Figure pct00010
중괄호 내의 제2 항도 제로가 되며, 다음과 같이 된다.
Figure pct00011
이 식은 구동 전류와 아마추어 변위 사이의 선형 관계를 특정한다.
임의의 특정 밸런스드 아마추어 설계에 대해 아마추어 자기저항을 설계하기 위한 방안은 상기 등식의 동시 해(simultaneous solution)를 찾는 것이다.
이들 등식에서의 비선형성은 수동으로 계산하는 것은 어렵게 만든다. 그러나, 그 해는 수치적 방법을 사용하거나 컴퓨터 기호 대수 프로그램을 사용해서 찾을 수 있다. Mathematica(미국 일리노이주 샴페인에 있는 Wolfram Research) 또는 Maple(캐나다 온타리오주 워털루에 있는 Maplesoft) 등의 상업 프로그램을 사용해도 된다. SourceForge로부터 http://maxima.sourceforge.net/을 보면 구할 수 있는 공개 소스 컴퓨터 코드 Maxima를 사용해서 해를 얻을 수도 있다.
이러한 분석은 아마추어 응답에서의 왜곡을 감소시키기 위해 필요한 자기저항 특성을 갖는 재료를 설계하는 데에 사용될 수 있다. 이러한 분석은 도 4와 관련해서 언급한 바와 같이, 협폭 영역의 테이퍼링 형태를 구성하는 데에, 그리고 다중의 협폭 영역과 같은 다른 아마추어 구성을 설계하는 데에 사용될 수 있다.
일반적으로, 코일에서의 구동 전류 레벨과 아마추어를 구동시키는 기계적 힘 간의 관계는 비선형적이다. 작은 변위의 경우에는, 거의 선형이지만, 변위가 증가함에 따라 비선형성이 증가한다.
아마추어 자기저항은 전류(구동 신호 레벨) 대 변위의 관계에서의 비선형성을 제거하는 방식으로 아마추어 자속에 따라 변화하도록 구성될 수 있다. 수치적 해는 아마추어에 대한 설계 목표가 된다. 계층화된 아마추어 구조 또는 단일의 재료 아마추어는 원하는 자기저항 대 자속 간의 관계에 의해 트랜스듀서 변위 관계가 선형이 되도록 구성될 수 있다.
변경된 포화 곡선을 가진 아마추어 재료
일례로, B/H 포화 곡선을 가진 재료는 아마추어의 포화 자속 이하의, 선형 왜곡 대 구동 레벨의 곡선을 제공하는 데에 사용되도록 자기저항 대 자속의 적절한 편차를 제공한다. 본 예의 재료는 강자성 재료(강자성체)를 포함한다. 예를 들어, 강자성체 또는 다른 재료의, 자기저항 대 자기장 세기에 의해, 아마추어 포화 자속 이하의 구동 레벨을 위해 왜곡 레벨을 감소시키도록 설계될 수 있다. 자기저항은 포화 자속 이하에서 중간 구동 레벨 위로 약간 감소(예를 들어, 0.1~10%)될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일부 예에서, 협폭 영역이나 자속 분류가 필요하지 않은 경우라도, 원하는 포화 곡선을 얻고자 하는 경우에, 이러한 구조체가 사용될 수 있다.
자기저항 대 자기장 세기의 편차가 일반적으로 강자성 재료에서 문제가 된다. 강자성 재료는 아마추어 구성의 강성 부분(non-flexing portion) 내에서와 같이 회귀 자속 경로의 몇몇 지점 내에 포함될 수 있다. 아마추어는 상기 설명한 분석법을 사용하여 설계될 수 있다.
사용될 수 있는 강자성체는, 예를 들어 산화철, 산화망간, 산화니켈, 산화아연 및/또는 다른 산화물 등의 하나 이상의 금속 산화물을 포함하는 비전도성 페리자성 세라믹 복합체를 포함한다. 강자성체는 무기 세라믹, 또는 다른 예에서는 플라스틱 또는 플라스틱-무기 혼합 재료가 될 수 있다. 예를 들어, 아마추어 부분 또는 구동 신호의 자속 경로가 되는 다른 부분은 연성 세라믹 강자성체를 포함할 수 있다. 강자성체, 입도 분포, 및 물리적 구조체의 조성은 바람직한 자기 성능을 얻도록 구성될 수 있다.
응용 장치
본 발명의 실시예는 보청기 및 헤드폰에 사용되는 미니어처 기기를 포함해서, 밸런스드 아마추어 기기의 출력에서의 왜곡을 감소시키기 위한 방법 및 장치를 포함한다. 감소된 왜곡은 오디오 품질을 크게 향상시킨다.
밸런스드 아마추어 자기 모터는 보청기, 귀에 착용하는 모니터 및 일부 하이엔드 이어폰에서 사용되는 미니어처 스피커의 드라이브로서 사용될 수 있다. 이들과 같은 매우 소형의 스피커의 경우, 밸런스드 아마추어 드라이브 구조체는 동일 사이즈의 다른 트랜스듀서 구조체보다 더 큰 음향 출력을 제공한다. 밸런스드 아마추어 스피커는 양호한 음향 성능을 제공하지만, 종래의 설계에서는 그것이 최상이라고 해도 고급 청취 시스템용으로 원하는 것보다 중간 출력 파워에서 높은 수준의 음향 왜곡을 갖는다.
본 발명의 실시예는, 보청기, 귀에 착용하는 스피커, 골전도(bone-conduction) 오디오 기기, 셀폰, 그외 다른 전화기, 이어 부품(earpiece), 라디오, 휴대형 음악 플레이어, 다른 엔터테인먼트 기기 등에 사용하기 위한 스피커 및 마이크로폰과 같은 개선된 전자기 트랜스듀서를 포함한다.
보청기와 같은 기기는 하우징을 포함할 수 있으며, 하우징은 사람의 귀 내에, 귀 뒤에 또는 귀에 가까운 곳에 위치하도록 구성된다. 드라이브 로드(drive rod) 및/또는 연계 메커니즘은 톰슨(Thompson) 등에 의한 미국특허 제7,336,797호에 개시된 바와 같은 진동용 다이아프램(vibrating diaphragm)에 아마추어 진동을 연결하는 데에 사용된다. 상기 특허문헌의 내용을 본 명세서에 참조에 의해 포함한다.
응용 장치에는 가변 자기저항 요소가 사용될 수 있는 기기라면 어떠한 기기라도 포함된다.
대체 실시예
본 발명의 다른 예에는 왜곡을 감소시키기 위해 여러 파라미터를 갖는 다층을 포함하는 아마추어를 포함한다. 예를 들어, 계층은 상이한 두께, 투자율 및/또는 포화 레벨을 가짐으로써, 개선된 성능을 가질 수 있다. 예를 들어, 아마추어는 다수의 하부 계층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 아마추어의 재료가 선택되고 아마추어의 계층 구조가 단일의 높은 투자율 재료만으로 존재할 기기의 출력에서의 낮은 왜곡을 제공하도록 구성된 밸런스드 아마추어 장치(예를 들어, 밸런스드 아마추어 모터 및 밸런스드 아마추어 발전기)를 포함한다.
다른 구성
본 발명의 실시예는 다층 구조체를 포함한다. 이러한 다층 구성은 왜곡이 감소되는 부분적 포화의 몇 개 지점을 제공할 수 있다. 이것은 최대 왜곡(아마추어의 포화) 이하의 낮은 피크 레벨을 가진 몇 개의 더 작은 피크(peak) 및 딥(dip)을 갖는, 구동 레벨에 대한 감소된 왜곡을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예는 아마추어의 길이를 따라 여러 위치에서 간격을 둔 몇 개의 2층(또는 다른 다층) 부분의 사용을 포함한다. 계층은 계층에 대해 연직 방향으로 얇게, 계층의 평면에 대해 평행한 방향으로 폭이 좁게, 또는 몇 가지 조합을 할 수 있다. 계층은 평면형으로 할 수 있다. 일부 예에서, 계층은 원통형, 예를 들어 제1 재료의 협폭의 원통형 코어 주위의 제2 재료로 된 계층이 될 수 있다.
일례로, 장치는 유사한 또는 상이한, 협폭 치수(자속이 전파될 수 있는 감소된 단면적 또는 영역)의 다수의 부분을 가질 수 있다. 예를 들어, 본 실시예의 장치는 상이한 협폭 치수의 2개의 부분을 가질 수 있다. 더 좁은 부분은 왜곡을 감소시키기 위해 제1 구동 레벨에서 포화되기 시작한다. 그러나, 구동 레벨이 추가로 증가하면, 왜곡이 다시 증가한다. 더 높은 구동 레벨에서, 협폭의 제2 영역이 포화를 시작하고 다시 왜곡이 감소된다. 왜곡은 폭이 좁아지지 않은 아마추어의 포화가 발생하기 시작할 때까지 구동 레벨이 추가로 증가됨에 따라 증가하기 시작한다. 이 왜곡은 폭이 좁지 않은 부분이 강력한 포화로 됨에 따라 증가하기 전에 3번째로 감소한다.
본 발명의 실시예는 다층 구성, 복합체 등을 포함하는, 원하는 자기저항 대 자속의 관계를 제공하는 자기 구조체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복합체는 제2 재료 내에서 제1 재료의 스트립, 와이어 또는 입자를 포함할 수 있으며, 제1 재료는 낮은 자기장에서 낮은 자기저항 및 포화도를 갖는다.
본 발명의 실시예는 제1 재료로 된 층과 제2 재료로 된 층을 포함하며, 제2 재료로 된 층은 제1 층보다 더 높은 자기저항을 갖는다. 제1 층의 적어도 일부(예를 들어, 협폭 영역, 일부의 경우에는 전체 층)는 기기 응답의 비선형성에 대항하기 위해 중간 자속 값에서 포화한다.
일례로, 본 발명의 실시예에 의한 구조체는, 예를 들어 다른 응용 장치에 대해 중간 구동 자기장 세기에서 자기저항을 감소시키도록 구성될 수 있으며, 다양한 응용 장치에서 사용될 수 있으며, 밸런스드 아마추어 기기에 한정되지 않는다.
종래의 밸런스드 아마추어 트랜스듀서는 단일의 높은 투자율을 갖는 재료로 이루어진 아마추어를 포함한다. 본 발명의 아마추어의 예는 상이한 자기저항 값의 제1 및 제2 자성 재료를 포함하며, 상이한 재료의 자속 포함 비율은 구동 신호 세기의 함수가 되며, 이에 의해 원하는 자기저항 곡선을 얻을 수 있다. 일례로, 구동 증폭기의 전자 이득 곡선은, 예를 들어 임의의 잔류 왜곡을 보상하는 비선형성을 의도적으로 도입함으로써 임의의 잔류 왜곡 성분을 제거하도록 변경될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 개선된 아마추어는 비선형 자기 모델, ODE 및/또는 FEA 모델과 같은 모델을 사용해서 설계될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 개선된 밸런스드 아마추어 및 가변 자기저항 기기는 가동 코일 기기를 사용하는 장치와 같이 현재 이들을 사용하지 않는 제품에 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예는 본 명세서에 개시된 것과 같은 구조체를 포함하는 가변 자기저항 발전기 및 가변 자기저항 모터를 포함한다. 예를 들어, 아마추어 등의 스위치형 자기저항 모터는 제1 및 제2 자성 재료를 포함하며, 제1 재료의 적어도 일부는 구조체의 자기저항을 변경하도록(예를 들어, 제2 재료가 제1 재료보다 높은 비포화 자기저항을 갖는 소정의 자기장 세기 이상의 높은 자기저항), 소정의 자기장 세기의 구동 신호에 의해 포화된다.
예를 들어, 제2 재료는 제1 재료의 포화된 부분 주위에 자속 분류로서 작용할 수 있으며, 제2 재료가 높은 자기저항을 가짐에 따라 총 자기저항이 감소한다. 그러나, 자기저항의 증가는 제어가 가능하며, 예를 들어 1%~100%의 범위 내에서 비교적 작은 값이 될 수 있다.
일례로, 제1 재료와 일렬로 자화되는, 제1 재료로 형성되는 구조체에 제3 재료의 부분을 삽입함으로써 포화 영역을 제공할 수 있다. 포화 영역은 제3 재료의 낮은 포화 자기장 및/또는 물리적 구성에 의해, 제1 재료의 다른 부분보다 낮은 자기장에서 포화한다.
일례로, 가변 자기저항 요소는 제1 재료 및 제2 재료로 된 다층 구조체를 포함한다. 제2 재료는 제1 재료보다 높은 자기저항을 가지며, 제1 재료는 제2 재료보다 낮은 포화 자기장을 갖는다. 협폭 영역 등의 포화 영역은 제1 재료에 제공해도 되지만, 일부 실시예에서는 구비하지 않아도 된다. 낮은 자속에서, 자속은 대부분 제1 재료에 포함된다. 제1 임계 자속 이상에서, 제2 재료는 자속 분류로서 작용하며, 제1 재료 또는 포화된 부분 주위의 자속을 포함한다. 마찬가지로, 제2 층보다 낮은 자기저항과 제2 층보다 높은 포화도를 갖는 제3 층을 제공할 수 있다. 제3 층은 제2 임계 자속 이상에서 제2 층 또는 그 포화된 부분에 대해 자속 분류로서 작용할 수 있다. 유사한 방식으로 다른 층을 추가할 수 있으며, 이에 의해 자기장에 대한 자기저항이, 전체 요소가 포화되기 전에 하나 이상의 임계 자기장에서 자기저항 편차를 이용하여 정확하게 제어될 수 있다. 일부 예에서, 가변 자기저항 요소는 자속 전파 방향에 대하여 연직 방향으로 변화하는 조성 및 투자율 및/또는 포화 자기장을 갖는 구배 투자율 재료를 포함함으로써, 재료의 일부가 포화된 부분(예를 들어, 협폭 영역 또는 낮은 포화 자기장 부분)에 대하여 자속 분류로서 작용할 수 있다.
본 발명의 실시예는 종래의 아마추어를 사용하여 제공되는 것보다 기기의 출력에서 낮은 왜곡을 제공하도록 아마추어가 구성된 밸런스드 아마추어 장치(밸런스드 아마추어 모터 및 밸런스드 아마추어 발전기)를 포함한다. 개선된 아마추어의 재료는 선택이 가능하며 및/또는 아마추어의 계층화 구조체는 출력 왜곡을 감소시키도록 구성될 수 있다.
자속 분류는 아마추어 또는 다른 바람직한 가변 자기저항 요소의 일부, 인근 또는 근접한 부분이 될 수 있다.
본 발명의 실시예는 트랜스듀서의 자기 회귀 경로의 자기저항을, 트랜스듀서의 다른 부분에서의 비선형성을 보상하기 위해 변형한 예를 포함한다. 본 발명에 개시된 구체적인 실시는 예시에 불과하며 제한을 위한 것이 아니다. 회귀 경로에서의 아마추어의 폭을 좁게 함으로써 변형예를 수행한다. 다른 예로서, 회귀 경로의 적어도 일부에 대해 계층화 구조를 사용함으로써 두께를 효과적으로 감소시킬 수 있다.
밸런스드 아마추어 장치와 같은 자기 장치(magnetic apparatus)는, 제1 및 제2 자석과, 제1 및 제2 자석 사이의 갭 내에 위치하는 단부를 갖는 아마추어를 포함한다. 이 아마추어에 구동 코일이 자화가능하게 결합됨으로써, 구동 코일에 인가된 구동 신호가 아마추어 내에서 자기 자속을 유도하고 아마추어의 단부의 대응하는 편향을 유도한다. 아마추어는 아마추어의 편향에서의 고조파 왜곡을 감소시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 아마추어는 아마추어의 나머지 부분을 포화시키기에 필요한 것보다 작은 구동 신호 레벨에서 포화되도록 구성된 하나 이상의 부분을 포함할 수 있다. 아마추어는 제1 자성 재료의 나머지 부분보다 작은 구동 신호 레벨에서 포화하는 제1 자성 재료의 협폭 영역을 포함할 수 있다.
아마추어는 제1 및 제2 재료를 포함하며, 제1 자성 재료의 적어도 하나의 부분은 제2 자성 재료보다 작은 구동 신호 레벨에서 포화하며, 제2 자성 재료는 제1 자성 재료의 적어도 하나의 부분이 포화될 때에 제1 자성 재료의 적어도 하나의 부분 주위에 자속 분류를 제공한다. 제1 자성 재료의 적어도 일부는 제2 자성 재료보다 작은 구동 신호 레벨에서 포화될 수 있다.
일례로, 아마추어는 그 포화 자속 이하에서 구동 레벨에 대한 선형 왜곡의 곡선을 제공하도록 자속에 대한 자기저항의 편차를 제공하는 B/H 포화 곡선을 가진 재료를 포함하여 이루어질 수 있다.
아마추어는 하나 이상의 부분적 포화 부분을 포함하며, 이 부분적 포화 부분은 아마추어 전체를 포화시키는데에 필요한 것보다 실질적으로 작은 구동 신호에 의해 포화된다.
아마추어는 아마추어의 길이를 따라 여러 위치에서 이격된 다수의 다층 구조체를 포함할 수 있다.
다층의 아마추어 구조체는 적어도 제1 층 및 제2 층을 포함하며, 제1 층은 단면적이 감소된 하나 이상의 협폭 영역을 가지며, 협폭 영역은 제1 층의 나머지 부분보다 낮은 포화 자기장을 갖는다.
아마추어는 여러 개의 피크 및 딥을 갖는 구동 레벨에 대한 왜곡 곡선을 갖도록 구성되며, 최대 왜곡 이하의 피크 레벨이 감소된다.
본 발명의 자기 장치는 제1 자성 재료, 제2 자성 재료, 및 구동 코일을 포함하는 가변 자기저항 요소를 포함하며, 구동 신호는 본 기기 내에서 자기 자속을 유도하는 구동 코일에 인가되며, 제1 자성 재료의 적어도 일부는 제2 자성 재료보다 작은 구동 신호 레벨에서 포화하고, 가변 자기저항 요소의 자기저항은 제1 자성 재료의 적어도 일부분의 포화에 의해 변경된다. 본 발명의 장치는 밸런스드 아마추어 기기가 될 수 있으며, 가변 자기저항 요소는 아마추어가 될 수 있다. 제1 재료는 제1 재료의 근접 부분보다 작은 구동 신호에서 포화하는 포화 부분을 포함할 수 있으며, 제2 재료는 포화 부분이 포화될 때에, 포화 부분 주위에 자속 분류를 제공할 수 있다. 본 장치는 가변 자기저항 모터 또는 가변 자기저항 발전기를 포함한다.
본 발명의 장치는 구동 신호에 의해 여자되는 구동 코일, 영구 자석, 및 구동 신호에 의해 유도되는 자속에 대한 하나 이상의 자기 귀환 경로 요소를 포함하며, 자기 귀환 경로 요소는 대체가능한 요소에 대한 구동 신호 대 변위에서의 비선형성을 감소시키기 위해 가변 자기저항을 제공하도록 되어 있다.
본 발명의 실시예는 본 명세서에 개시된 바와 같이, 가변 자기저항 모터/발전기의 자기 경로에의 사용을 포함한 유사한 구조체(예를 들어, 아마추어 설계)의 사용을 포함한다.
본 명세서에서 언급한 특허 또는 문헌은 각각의 개별 문헌이 참조에 의해 포함되는 것으로 구체적이며 개별적으로 지시된 바와 같이 동일한 범위로 참조에 의해 포함된다.
당업자라면, 동일한 목적을 달성하는 많은 수의 유사한 구조체가 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다.
본 발명은 상기 설명한 예에 제한되지 않는다. 본 발명의 실시예는 예시에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 당업자라면, 변경, 요소의 다른 조합 및 사용이 가능할 수 있다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의해 규정된다.

Claims (23)

  1. 밸런스드 아마추어 장치(balanced armature apparatus)에 있어서,
    제1 영구 자석(permanent magnet);
    제2 영구 자석;
    상기 제1 영구 자석과 상기 제2 영구 자석 사이에 위치한 단부(end portion)를 갖는 아마추어(armature); 및
    상기 아마추어에 자화가능하게 결합되며, 상기 아마추어 내에 자속(flux) 레벨을 유도하고 상기 아마추어의 단부의 편향(deflection)을 유도하기 위해 구동 신호에 의해 여자되는 코일(coil)
    을 포함하며,
    구동 신호 레벨에 변위를 관련시킨 변위 관계(displacement relationship)를 가지며,
    상기 아마추어는 상기 아마추어 전체의 포화(saturation)를 개시하기 위해 필요한 자속 레벨보다 작은 자속 레벨을 위해, 상기 변위 관계의 선형성(linearity)을 개선하도록 상기 구동 신호 레벨에 의해 증가하는 자기저항(reluctance)을 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 밸런스드 아마추어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아마추어는 상기 아마추어의 이웃하는 부분을 포화시키기에 필요한 것보다 작은 구동 신호 레벨에서 포화하도록 구성된 부분적 포화 부분을 포함하며,
    상기 부분적 포화 부분이 포화될 때에 상기 부분적 포화 부분 주위에 자속 분류(flux shunt)를 제공하는 플랭크 부분(flanking piece)을 더 포함하는 밸런스드 아마추어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 부분적 포화 부분은 상기 아마추어의 다른 부분보다 작은 단면적을 갖는 협폭 영역(narrowed region)을 포함하는, 밸런스드 아마추어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 협폭 영역은 단면적이 상기 아마추어에 따른 위치에 따라 변화하는 테이퍼링 부분(tapered portion)을 포함하는, 밸런스드 아마추어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 아마추어는 제1 자성 재료(magnetic material)와 제2 자성 재료를 포함하며,
    상기 제1 자성 재료의 일부분은 상기 제2 자성 재료를 포화시키는 데에 필요한 것보다 작은 구동 신호 레벨에서 포화하며,
    상기 제2 자성 재료는 상기 제1 자성 재료의 일부분이 포화할 때에 상기 제1 자성 재료의 일부분 주위에 자속 분류를 제공하는, 밸런스드 아마추어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 아마추어는 상기 아마추어의 완전 포화(complete saturation)를 위한 포화 자속(saturation flux)을 가지며,
    상기 아마추어는 상기 포화 자속 이하의 실질적으로 선형인 변위 관계를 제공하도록 구성된 상기 아마추어를 통해, 자기저항 대 자속의 편차(a variation of reluctance versus flux)를 갖는 자성 재료를 포함하는, 밸런스드 아마추어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 아마추어는 상기 변위 관계에서 고조파 왜곡(harmonic distortion)을 보상하도록 구성된, 자기저항 대 아마추어 자속 곡선(reluctance versus armature flux curve)을 갖는 강자성(ferrite) 재료를 포함하는, 밸런스드 아마추어 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 밸런스드 아마추어 모터(balanced armature motor)인 것인, 밸런스드 아마추어 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 밸런스드 아마추어 발전기(balanced armature generator)로서 동작가능하도록 된, 밸런스드 아마추어 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 밸런스드 아마추어 스피커(balanced armature speaker)인 것인, 밸런스드 아마추어 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 장치는 보청기 스피커(hearing aid speaker)인 것인, 밸런스드 아마추어 장치.
  12. 밸런스드 아마추어 기기용의 아마추어(armature) 장치로서,
    상기 아마추어는 상기 아마추어가 완전히 포화되는 시점의 아마추어 포화 자속(armature saturation flux)을 가지며,
    상기 아마추어는, 제1 층과 제2 층을 갖는 다층(multi-layer) 부분을 포함하는데, 상기 제1 층의 부분적 포화 영역은 상기 아마추어 포화 자속보다 작은 아마추어 자속 레벨에 의해 포화되며, 상기 제2 층은 상기 부분적 포화 영역이 포화될 때에 상기 부분적 포화 영역 주위에서 자속 분류로서 동작할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 부분적 포화 영역은 상기 제1 층의 다른 영역에 비해 단면적이 감소된 영역인 것인, 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 층은 다수의 부분적 포화 영역을 포함하며, 상기 다수의 부분적 포화 영역은 상기 제1 층의 다른 영역에 비해 단면적이 작고,
    상기 다수의 부분적 포화 영역은 상기 제1 층의 다른 영역보다 낮은 포화 자속을 갖는, 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 아마추어는 상기 아마추어를 따라 여러 위치에서 다수의 다층 구조체를 포함하는, 장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 아마추어는 가변 자기저항 아마추어(variable reluctance armature)이며,
    상기 아마추어의 자기저항은 상기 부분적 포화 영역의 포화에 의해 증가하는, 장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 장치는 밸러스 아마추어 스피커(balanced armature speaker)용의 아마추어인 것인, 장치.
  18. 자기(magnetic) 장치에 있어서,
    아마추어(armature);
    상기 아마추어 내에 자속을 유도하기 위해 구동 신호에 의해 여자되는 코일(coil); 및
    하나 이상의 영구 자석
    을 포함하며,
    상기 아마추어는 구동 신호가 인가되지 않을 때에 평형 위치를 가지며,
    상기 아마추어의 위치는 상기 아마추어의 포화 자속까지 구동 신호 레벨과 상관되는 변위를 갖도록 구동 신호에 의해 평형(equilibrium) 위치에 대해 상대적인 변위가능하게 되어 있으며,
    상기 아마추어는 상기 구동 신호 레벨과 상기 변위 사이에서 실질적인 선형 관계를 얻기 위해, 상기 포화 자속 이하의 자속 레벨을 위한 자속 레벨에 의해 증가하는 아마추어 자기저항을 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 자기 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 아마추어는 제1 재료 및 제2 재료를 포함하며,
    상기 제1 재료는 상기 제1 재료의 근접 부분을 포화시키기에 필요한 것보다 낮은 자속 레벨에서 포화하는 부분적 포화 부분을 포함하며,
    상기 제2 재료는 상기 포화 부분이 포화될 때에 상기 포화 부분 주위에 자속 분류를 제공하고,
    상기 자속 분류는 상기 제1 재료의 부분적 포화 부분보다 높은 자기저항을 갖는, 자기 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 아마추어는 제1 재료 및 제2 재료를 포함하며,
    상기 제1 재료의 적어도 일부는 상기 제2 재료를 포화시키기에 필요한 것보다 낮은 자속에서 포화하며,
    상기 제2 재료는 상기 포화 부분이 포화될 때에 자속 분류를 제공하는, 자기 장치.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 자기 장치는 제1 영구 자석 및 제2 영구 자석을 포함하며,
    상기 아마추어의 일부는 평형 위치에 대하여 상대적으로 변위가능하고, 상기 제1 영구 자석과 상기 제2 영구 자석 사이의 갭으로 연장하는 단부가 되며,
    상기 자기 장치는 상기 제1 영구 자석과 상기 제2 영구 자석 사이에서 자속 경로를 제공하는 자기 요크(magnetic yoke)를 더 포함하는 자기 장치.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 자기 장치는 영구 자석을 포함하며,
    상기 자기 장치는 자기 요크를 더 포함하고, 상기 자기 요크는 상기 영구 자석으로부터 상기 자기 요크의 부분들 사이의 갭까지 자속 경로를 제공하고,
    상기 아마추어의 일부는 평형 위치에 대하여 상대적으로 변위가능하고, 상기 자기 요크의 일부분 사이의 갭으로 연장하는 상기 아마추어의 단부가 되는, 자기 장치.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 자기 장치는 모터 또는 발전기인 것인, 자기 장치.
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