WO2004086815A1 - Miniaturisierter elektroakustischer wandler - Google Patents

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WO2004086815A1
WO2004086815A1 PCT/AT2004/000103 AT2004000103W WO2004086815A1 WO 2004086815 A1 WO2004086815 A1 WO 2004086815A1 AT 2004000103 W AT2004000103 W AT 2004000103W WO 2004086815 A1 WO2004086815 A1 WO 2004086815A1
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coil
wire
magnet system
voice coil
membrane
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PCT/AT2004/000103
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French (fr)
Inventor
Hannes Lehdorfer
Original Assignee
Akg Acoustics Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Akg Acoustics Gmbh filed Critical Akg Acoustics Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R9/00—Transducers of moving-coil, moving-strip, or moving-wire type
    • H04R9/02—Details
    • H04R9/04—Construction, mounting, or centering of coil
    • H04R9/046—Construction

Definitions

  • the invention relates to miniaturized electroacoustic transducers, in particular loudspeakers, which work according to the electrodynamic principle and in particular for installation in small devices, such as telephones, mobile telephones, hands-free devices for telephones, headphones or the like.
  • miniaturized electroacoustic transducers in particular loudspeakers, which work according to the electrodynamic principle and in particular for installation in small devices, such as telephones, mobile telephones, hands-free devices for telephones, headphones or the like.
  • small devices such as telephones, mobile telephones, hands-free devices for telephones, headphones or the like.
  • Such transducers consist of a magnet system and a membrane with a voice coil attached to it and a membrane holder which is attached to the magnet system and thus also positions the membrane with respect to the magnet system.
  • the voice coil is formed from several layers of wire.
  • the voice coil is positioned in the so-called air gap of a magnet system.
  • a special design of such a converter is described, for example, in AT 405 997 B.
  • Important parameters for the acoustic performance of a loudspeaker are high efficiency, that is the ratio between the acoustic sound power emitted and the electrical power supplied and a high maximum achievable sound pressure.
  • the efficiency is proportional to the moving mass of the loudspeaker, which in the case of miniature loudspeakers is essentially given by the mass of the voice coil, and to the intensity of the field which acts on the voice coil positioned in the air gap.
  • the air gap induction increases when the width of the air gap is reduced.
  • the efficiency is proportional to the ratio between the length of the wire in the field to the mass of the vibrating system at a constant current flowing through the voice coil.
  • the loudspeaker from the electrical side, another characteristic of the loudspeaker is the electrical impedance of the voice coil.
  • the impedance of the speaker on the DC resistance of the voice coil (R DC ) can be reduced.
  • One of the limits for the maximum achievable sound pressure is the electrical power supplied to the voice coil and thus the DC resistance when the voltage is constant.
  • the voice coil wire is wound on a carrier material.
  • a carrier material According to the state of the art, self-supporting coils without coil carriers are used in miniaturized loudspeakers, since when using a carrier material the air gap would have to be widened by the thickness of this material, and the efficiency of the loudspeaker would decrease as a result of the above-mentioned relationship.
  • the techniques and processes required for this are known.
  • the required low power consumption is increasingly achieved by continuously reducing the operating voltage required to operate the devices. This applies particularly to mobile devices that are operated with rechargeable batteries, since the power consumption directly affects the operating time of the devices. This inevitably results in the fact that less voltage is also available for the operation of the loudspeakers or microphones in these devices.
  • a requirement for the loudspeaker is therefore to keep the DC resistance of the coil as low as possible. This can be achieved by increasing the thickness of the wire used for the voice coil or the length of the wire so that the coil height h is shortened. The resistance of the wire itself becomes lower or the direct current resistance of the coil decreases due to the shorter wire length when the coil is shortened. The loss of efficiency due to the shorter length of the wire in the air gap is essentially compensated for by the proportionally decreasing voice coil mass.
  • the invention aims to provide a construction of a miniaturized transducer of the type mentioned in the introduction, which does not have the problems mentioned and in particular has a high efficiency and a high maximum sound pressure.
  • the voice coil consists of wire with a non-circular cross-section and that the longer dimension of the cross-section runs parallel to the axis of the voice coil.
  • non-circular cross-section means any cross-section that deviates from the circular cross-section beyond manufacturing tolerances and that is noticeably longer in one direction than in the normal direction, whether oval or rectangular with rounded corners or otherwise, does not matter.
  • this invention Another effect of this invention is that the dimensions of this voice coil with a constant number of turns and layers as well as a distance from the metal parts of the magnet system allow a clear reduction of the air gap with a concomitant increase in the air gap induction and thus the efficiency. Since the dynamic transducer principle is reversible, this invention can also be used with microphones to improve sensitivity.
  • FIG. 1 shows a converter according to the prior art
  • FIG. 2 shows a converter according to the invention.
  • a coil 3 C is wound from oval wire 6, the large dimension of the wire running normal to the coil axis 5. For a given length of wire 6, this leads to a large gap width B 'with a small coil length L'.
  • the magnet system 1 has an annular gap 4 'into which the coil 3' is immersed without touching the magnet system. Because of the small coil length L ', the position of the coil with respect to the air gap 4 is not optimal. In the case of the large loudspeakers, the efficiency plays only a minor role, in practice the coil is made with a longer coil length than shown in Fig. 1 in order to achieve a better position of the coil with respect to the gap, but Fig. 1 serves that Comparison with the invention and not the consistently realistic representation of the prior art.
  • the width B of the air gap 4 is advantageous to keep the width B of the air gap 4 as small as possible and also to make the length of the wire which forms the coil as short as possible.
  • This is done according to the invention by using a wire with a cross section that deviates as clearly as possible from the circular cross section and has a significantly larger dimension 1 in one direction than in the direction h normal to it.
  • Such a wire, with its larger dimension 1 is now arranged parallel to the transducer axis 5, which also represents the coil axis. This measure achieves a large longitudinal extension L of the coil, combined with a small transverse dimension, so that the gap width B can also be very small.
  • the coil with a small length of the wire lies in the air gap 4 in an optimal manner despite or actually because of the wire cross section used. All these features result in a very high coil efficiency and thus an excellent acoustic yield with the lowest energy consumption.
  • the coil according to the invention is preferably produced by a method in which the wire 6 is produced as a normal round wire, is provided in the usual way with its baked lacquer layer, be it in one or more layers, and is plastically deformed only immediately before the coil is wound, that the desired aspect ratios are established.
  • This deforming can take place, for example, by running through two squeezing rollers; ratios 1 / h of 3: 1 and above can be achieved.
  • it proves to be advantageous that the insulating coating of the wire has already been applied; it does not jump off the wire when it is deformed, but deforms with it without any problem. This prevents the insulating layer from rounding again due to the surface tension when applied to the deformed wire.
  • the winding of the coil on a mandrel does not pose any major problems, since the inner wire layers with their large side faces lie against the mandrel and are so well guided.
  • the baked enamel layer is heated so that it becomes doughy or viscous, or at least sticky, and thus allows the desired coil to be produced.
  • the coil is solid and, like previously known coils, can be further processed from round wire.
  • this further processing is carried out by gluing onto a bead 7 of the membrane 2 only with the end face of the coil 3, but of course any other assembly known from the prior art is possible.
  • a material for the coil 3 any type of wire and insulating material can be used, which is known from the prior art for the production of coils for electrodynamic transducers, the same applies to the structure and materials of the magnet system 1 and Membrane 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen miniaturisierten, nach dem elektrodynamischen Prinzip arbeitenden, elektroakustischen Wandler, insbesondere Lautsprecher, mit einem Magnetsystem (1), einer Membran (2) und einer mit der Membrane verbundenen, in einen ringförmigen Spalt (4) des Magnetsystems ragenden Schwingspule (3). Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingspule (3) zumindest zu ihrem überwiegenden Teil aus einem Draht (6) besteht, dessen Querschnitt in einer Richtung eine größere Erstreckung (1) aufweist als in der Richtung normal dazu (h) und dass die größere Erstreckung (1) parallel zur Spulenachse (5) verläuft.

Description

Miniaturisierter elektroakustischer Wandler
Die Erfindung betrifft miniaturisierte elektroakustische Wandler, insbesondere Lautsprecher, die nach dem elektrodynamischen Prinzip arbeiten und insbesondere zum Einbau in Kleingeräte, wie Telefone, Mobiltelefone, Freisprecheinrichtungen für Telefone, Kopfhörer od.dgl. vorgesehen sind und die ein Magnetsystem, eine Membrane und eine an der Membrane befestigte und in einen Ringspalt des Magnetsystems tauchende Schwingspule aufweisen.
Derartige Wandler bestehen aus einem Magnetsystem und einer Membrane mit einer an ihr befestigten Schwingspule und einem Membranhalter, der passend mit dem Magnetsystem befestigt ist und so auch die Membrane bezüglich des Magnetsystems positioniert. Die Schwingspule wird dabei aus mehreren Lagen eines Drahtes gebildet. Die Schwingspule ist dabei im sogenannten Luftspalt eines Magnetsystems positioniert. Eine spezielle Ausbildung eines solchen Wandlers ist beispielsweise in der AT 405 997 B beschrieben.
Wichtige Kenngrößen für die akustische Leistungsfähigkeit eines Lautsprechers sind ein hoher Wirkungsgrad, das ist das Verhältnis zwischen abgegebener akustischer Schallei- stung und der zugeführten elektrischen Leistung und ein hoher maximal erzielbarer Schalldruck.
Der Wirkungsgrad ist proportional zur bewegten Masse des Lautsprechers, die im Fall der Miniaturlautsprecher im wesentlichen durch die Masse der Schwingspule gegeben ist, und zur Intensität des Feldes, das auf die im Luftspalt positionierte Schwingspule wirkt. Die Luftspaltinduktion wird prinzipiell größer, wenn die Breite des Luftspalts verringert wird. Der Wirkungsgrad ist bei konstantem durch die Schwingspule fließendem Strom proportional dem Verhältnis zwischen der Länge des im Feld befindlichen Drahtes zur Masse des schwingenden Systems. Diese Zusammenhänge sind in der einschlägigen Literatur weitge- hend beschrieben.
Betrachtet man den Lautsprecher von der elektrischen Seite, so ist ein weiteres Merkmal des Lautsprechers die elektrische Impedanz der Schwingspule. Für die Betrachtungsweise im Zusammenhang mit der Erfindung kann die Impedanz des Lautsprechers auf den Gleichstromwiderstand der Schwingspule (RDC) reduziert werden. Die zugeführte Leistung errechnet sich somit nach P = U2/RDC- Eine der Begrenzungen für den maximal erreichbaren Schalldruck ist die der Schwingspule zugeführte elektrische Leistung und somit bei konstanter angelegter Spannung der Gleichstromwiderstand.
Bei großen Lautsprechern wird der Schwingspulendraht auf ein Trägermaterial gewickelt. Nach dem Stand der Technik werden bei miniaturisierten Lautsprechern selbsttragende Spulen ohne Spulenträger verwendet, da beim Einsatz eines Trägermaterials der Luftspalt um die Dicke dieses Material verbreitert werden müsste, und dadurch nach dem obenge- nannten Zusammenhang der Wirlcungsgrad des Lautsprechers sinken würde. Die dafür nötigen Techniken und Prozesse sind bekannt.
Geforderter niedriger Leistungsverbrauch wird zunehmend durch die kontinuierliche Verringerung der zum Betrieb der Geräte nötigen Betriebsspannung erreicht. Dies gilt beson- ders für mobile Geräte die mit wiederaufladbaren Akkus betrieben werden, da bei diesen der Stromverbrauch direkt in die Betriebsdauer der Geräte eingeht. Daraus ergibt sich zwangsläufig, dass auch für den Betrieb der Lautsprecher bzw. Mikrofone in diesen Geräten zusehends weniger Spannung zur Verfügung steht.
Eine Anforderung an den Lautsprecher ist daher, den Gleichstromwiderstand der Spule möglichst niedrig zu halten. Die kann dadurch erreicht werden, dass die Dicke des für die Schwingspule verwendeten Drahtes vergrößert wird oder die Länge des Drahtes, damit die Spulenhöhe h, verkürzt wird. Dabei wird der Widerstand des Drahtes selbst geringer bzw. durch die geringere Drahtlänge bei Verkürzung des Spule der Gleichstromwiderstand der Spule geringer. Der Wirkungsgradverlust durch die geringere Länge des Drahtes im Luftspalt wird im wesentlichen durch die ebenso proportional abnehmende Schwingspulenmasse kompensiert.
Nachteilig dabei ist, das die Verwendung eines dickeren Drahtes bei gleichbleibender Lagenzahl und Drahtlänge einen breiteren Luftspalt im Magnetsystem erfordert, was durch die dabei sinkende Luftspaltinduktion den Wirkungsgrad wiederum verringert. Eine Verringerung der Spulenhöhe h hat nachteilige Auswirkungen auf die Positionierung der Spule im Luftspalt. Die oben genannte AT 405 997 B beschreibt eine Möglichkeit, wie diesem Effekt entgegengewirkt werden kann, geht aber auf die eingangs genannten Probleme nicht ein und gibt auch keine Lösung dafür an.
Es ist im Stand der Technik von großen Lautsprechern her bekannt, für den Schwingspu- lendraht einen in seinem Querschnitt abgeflachten Draht zu verwenden, der mit seiner Schmalseite an einem Spulenträger aufgeklebt ist, und dessen „große" Flächen miteinander verklebt bzw. verschweißt sind, um den hohen dynamischen Belastungen zu widerstehen. Bei diesen Wandlern spielen die hier wichtigen Probleme keinerlei Rolle.
Die Erfindung bezweckt, eine Konstruktion eines miniaturisierten Wandlers der eingangs genannten Art anzugeben, der die angeführten Probleme nicht aufweist und insbesondere einen hohen Wirkungsgrad und einen hohen maximalen Schalldruck besitzt.
Erfindungsgemäß werden diese Ziele dadurch erreicht, dass die Schwingspule aus Draht mit unrundem Querschnitt besteht und dass die längere Dimension des Querschnittes parallel zur Achse der Schwingspule verläuft.
Unter „unrundem Querschnitt" wird in der Beschreibung jeder über Herstellungstoleranzen hinaus vom Kreisquerschnitt abweichende Querschnitt, der in einer Richtung merklich länger ausgebildet ist als in dazu normaler Richtung, verstanden, ob oval oder rechteckig mit abgerundeten Ecken oder anders ausgebildet, spielt keine Rolle.
Durch diese so erreichte „Streckung" der Schwingspule kann (im Vergleich zum Stand der Technik) mit kürzerem Draht (kleinerer Widerstand) eine Spule gleicher Höhe (somit gleicher Positionierung im Luftspalt) bei verringerter Breite (Luftspalt kann enger gemacht werden, Induktion verbessert) gewickelt werden. Die Größe zumindest einer der einzelnen Veränderungen kann dabei relativ frei gewählt werden, die anderen Änderungen ergeben sich aus den mechanischen und elektrodynamischen Randbedingungen.
Ein weiterer Effekt dieser Erfindung ist, dass die Dimensionen dieser Schwingspule bei gleichbleibender Windungs- und Lagenzahl sowie Abstand zu den Metallteilen des Magnetsystems eine deutliche Verkleinerung des Luftspalts mit einer einhergehenden Erhöhung der Luftspaltinduktion und somit des Wirkungsgrades ermöglichen. Da das dynamische Wandlerprinzip ein reversibles ist, kann diese Erfindung auch bei Mikrofonen zur Verbesserung der Empfindlichkeit verwendet werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die Fig. 1 einen Wandler gemäß dem Stand der Technik und die Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Wandler.
Wie aus beiden Figuren ersichtlich ist, wurde von einem elektroakustischen Wandler nur das Herzstück dargestellt: Das Magnetsystem 1, die Membrane 2 und die Spule 3' bzw. 3. Die anderen Bauteile sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Elektroakustik bekannt und bedürfen keiner näheren Erläuterung. In Fig. 1 wurden die Bauteile, die im Stand der Technik unterschiedlich zur Erfindung sind, mit einem: „'" bei ansonsten gleichem Bezugszeichen versehen.
Die Fig. 1 zeigt einen Wandler, wie er bei großen Lautsprechern im Stand der Technik bekannt ist: Aus ovalem Draht 6 wird eine Spule 3C gewickelt, wobei die große Abmessung des Drahtes normal zur Spulenachse 5 verläuft. Dies führt bei gegebener Länge des Drahtes 6 zu einer großen Spaltbreite B' bei geringer Spulenlänge L'. Das Magnetsystem 1 weist einen Ringspalt 4' auf, in den die Spule 3', ohne das Magnetsystem zu berühren, eintaucht. Wegen der kleinen Spulenlänge L' ist die Lage der Spule bezüglich des Luftspaltes 4 nicht optimal. Bei den großen Lautsprechern spielt der Wirkungsgrad nur eine geringe Rolle, in der Praxis wird die Spule mit größerer Spulenlänge hergestellt als in Fig. 1 gezeigt, um zu einer besseren Lage der Spule bezüglich des Spaltes zu kommen, doch dient die Fig. 1 ja dem Vergleich mit der Erfindung und nicht der durchgehend realistischen Darstellung des Standes der Technik.
Wie oben ausgeführt, ist es bei miniaturisierten Wandlern vorteilhaft, die Breite B des Luftspaltes 4 möglichst klein zu halten und die Länge des Drahtes, der die Spule bildet, ebenfalls möglichst kurz auszubilden. Dies geschieht erfindungsgemäß durch die Verwendung eines Drahtes mit einem Querschnitt, der vom Kreisquerschnitt möglichst deutlich abweicht und in einer Richtung eine deutlich größere Abmessung 1 aufweist als in der Richtung h normal dazu. Ein solcher Draht wird nun mit seiner größeren Abmessung 1 parallel zur Wandlerachse 5, die auch die Spulenachse darstellt, angeordnet. Durch diese Maßnahme erreicht man eine große Längserstreckung L der Spule, kombiniert mit einer kleinen Querabmessung, sodass auch die Spaltbreite B sehr klein sein kann. Durch die große Länge L liegt die Spule mit geringer Länge des Drahtes trotz oder eigentlich wegen des verwendeten Drahtquerschnittes auf optimale Weise im Luftspalt 4. Durch all diese Merkmale wird ein sehr hoher Wirkungsgrad der Spule und damit bei geringstem Energieverbrauch eine hervorragende akustische Ausbeute erzielt.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Spule erfolgt bevorzugt nach einem Verfahren, bei dem der Draht 6 als normaler Runddraht hergestellt wird, auf übliche Weise mit seiner Backlackschicht, sei sie einlagig oder mehrlagig, versehen wird und erst unmittelbar vor dem Wickeln der Spule plastisch so deformiert wird, dass die gewünschten Längenverhält- nisse sich einstellen. Dieses Deformieren kann beispielsweise durch das Durchlaufen zweier Quetschrollen erfolgen, es können dabei Verhältnisse 1/h von 3 : 1 und darüber erreicht werden. Bei diesem Verfahren erweist es sich als vorteilhaft, dass die isolierende Beschichtung des Drahtes bereits aufgebracht ist, diese springt beim Verformen nicht vom Draht, sondern verformt sich problemlos mit ihm mit. Dadurch wird verhindert, dass die isolierende Schicht zufolge der Oberflächenspannung beim Aufbringen auf den verformten Draht wieder zu einem Verrunden führt.
Das Wickeln der Spule auf einem Dorn bringt keine großen Probleme mit sich, da ja die inneren Drahtlagen mit ihren großen Seitenflächen am Dorn anliegen und so gut geführt sind. Beim Wickeln wird wie bei runden Drähten üblich, die Backlackschicht so erwärmt, dass sie teigig oder zähflüssig, zumindest aber klebrig wird und erlaubt so das Herstellen der gewünschten Spule. Nach dem Abkühlen unter den sogenannten Erweichungspunkt des Isoliermaterials ist die Spule fest und kann, wie vorbekannte Spulen, aus rundem Draht weiterverarbeitet werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt diese Weiterverarbeitung durch das Aufkleben auf eine Sicke 7 der Membran 2 nur mit der Stirnfläche der Spule 3, doch ist selbstverständlich jede andere aus dem Stand der Technik bekannte Montage möglich. Als Material für die Spule 3 kann jede Art von Draht und isolierendem Material verwendet werden, das aus dem Stand der Technik für die Herstellung von Spulen für elektrodynamische Wandler bekannt ist, das gleiche gilt für den Aufbau und die Materialien des Magnet- Systems 1 und die Membrane 2.

Claims

Patentansprüche:
1. Miniaturisierter, nach dem elektrodynamischen Prinzip arbeitender, elektroakustischer Wandler, insbesondere Lautsprecher, mit einem Magnetsystem (1), einer Membran (2) und einer mit der Membrane verbundenen, in einen ringförmigen Spalt (4) des Magnetsystems ragenden Schwingspule 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingspule (3) zumindest zu ihrem überwiegenden Teil aus einem Draht (6) besteht, dessen Querschnitt in einer Richtung eine größere Erstreckung (1) aufweist als in der Richtung normal dazu (h) und dass die größere Erstreckung (1) parallel zur Spulenachse (5) ver- läuft.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die größere Erstreckung (1) etwa dreimal so groß ist wie die kleinere Erstreckung (h).
PCT/AT2004/000103 2003-03-25 2004-03-19 Miniaturisierter elektroakustischer wandler WO2004086815A1 (de)

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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1078617B (de) * 1957-07-02 1960-03-31 Peter Grassmann Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von vorzugsweise mehrlagigen Schwingspulen fuer elektrodynamische Lautsprecher
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