(57)【要約】電気信号に反応して音を生成する変換器（１）は、磁石（４）及びコイル（５）を有するアクチュエータ（２）と、例えば、スピーカコーンである振動面（３）を有する。アクチュエータと振動面は、機械的に結合される。変換器は、実質的にその共振周波数（ｆ０）において動作するよう設計される。これは非常に高い変換器効率をもたらし、これは特に、低可聴周波数の再現の最に特に関連がある。
2007506332.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号に反応して音を生成する変換器であって、
機械結合されるアクチュエータ及び振動面を有し、
前記アクチュエータは、磁石及びコイルを有し、
前記変換器は、実質的にその共振周波数において動作するよう設計される変換器。
【請求項２】
前記アクチュエータは、前記コイルの磁束と長さの積に等しい力係数を有し、
二乗された前記力係数と、前記変換器の電気抵抗と機械抵抗の積との比は、０．６より大きく１．４より小さい請求項１記載の変換器。
【請求項３】
前記比は、０．９より大きく１．１より小さく、
前記比は、１に実質的に等しいことが好適である請求項２記載の変換器。
【請求項４】
前記振動面は、スピーカコーンである請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の変換器。
【請求項５】
前記振動面は、細長いストリップを有する請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の変換器。
【請求項６】
前記振動面は、第２の円筒部に対して可動に配置される第１の円筒部を有し、
前記第１の円筒部及び前記第２の円筒部は、少なくとも部分的に同心である請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の変換器。
【請求項７】
前記コイルは実質的に不動である請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の変換器。
【請求項８】
前記磁石は実質的に不動である請求項１乃至７のうちいずれか一項記載の変換器。
【請求項９】
請求項１乃至８のうちいずれか一項記載の変換器を有するオーディオシステム。
【請求項１０】
機械結合されるアクチュエータ及び振動面を有するオーディオ変換器を駆動する方法であって、
前記変換器にオーディオ入力信号を供給する段階を有し、
前記オーディオ入力信号は、前記変換器の共振周波数と実質的に等しい平均周波数を有し、
前記変換器は、実質的にその共振周波数において動作するよう設計される方法。
【請求項１１】
前記変換器は、前記コイルの磁束と長さの積に等しい力係数を有し、
二乗された前記力係数と、前記変換器の電気抵抗と機械抵抗の積との比は、０．６より大きく１．４より小さい請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記比は、０．９より大きく１．１より小さく、
前記比は、１に実質的に等しいことが好適である請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高効率オーディオ変換器に係る。より具体的には、本発明は、電気信号に反応して音を生成する変換器に係り、この変換器は、アクチュエータと、機械的に結合される振動面を有する。
【背景技術】
【０００２】
このような変換器は一般的に知られている。オーディオ（ステレオ）システムに使用されるスピーカは、例えば、一般的に、振動面として作用するボール紙又はプラスチックで形成されるコーンを有する。通常のスピーカのアクチュエータは、磁石とコイルを有する。磁石は固定されうるが、一方でコイルはコーンに機械的に結合される、又はその逆もある。
【０００３】
可聴周波数は、約２０Ｈｚ乃至約２０ｋＨｚの範囲であることは周知である。中間範囲（約１−１０ｋＨｚ）は通常のスピーカで信頼度が高く再生可能である一方で、低及び高周波数範囲では特別な変換器が一般的に必要とされる。高忠実度のオーディオシステムは一般的に、高可聴周波数範囲の再生のための小さい変換器（「ツィータ」）と、中間可聴周波数範囲を再生するための中間サイズ変換器（「スコーカ」）と、低範囲のための比較的大きい変換器（「ウーファー」）を有する。好適な音響レベルにおいて最低の可聴周波数（約２０−１００Ｈｚ）を忠実に再生するよう要求される変換器は、相当量の空間を占める。しかし、小型オーディオセットの需要はますます大きくなっている。大きい変換器の必要性と小型オーディオ機器とは相容れないことは明らかである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、従来技術のこれらの及び他の問題を解決し、また、小型であるが依然として比較的高い音響レベルで低周波音響信号を再生可能な音響変換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
従って、本発明は、電気信号に反応して音を生成する変換器であって、機械結合されるアクチュエータ及び振動面を有し、アクチュエータは、磁石及びコイルを有し、変換器は、実質的にその共振周波数において動作するよう設計される変換器を提供する。
【０００６】
変換器をその共振周波数において又は付近において動作することを与えることによって、相対的に低い可聴周波数において相対的に小さい変換器を用いても非常にしっかりとした音出力音量が達成されうる。本発明は、音を生成するために変換器の共振を効果的に使用し、共振周波数において変換器を最適化する。この最適化は、例えば、共振周波数において最大の感度が発生するよう変換器の入力感度を最大にするといった様々な方法において達成することが可能である。
【０００７】
入力感度は一般的に、電圧感度（Ｐａ／Ｖで測定）として測定されるが、効率（音響出力パワーと電気入力パワーの比）も用いうる。
【０００８】
１つの好適な実施例では、変換器は、コイルの磁束と長さの積に等しい力係数を有し、二乗された力係数と、変換器の電気抵抗と機械抵抗の積との比は、０．６より大きく１．４より小さい。この条件が満足されるとき、変換器の感度は、その共振周波数において又は付近において最適化される。
【０００９】
周知であるように、上述した力係数は、コイルの「パワー」を示す。機械及び電気抵抗の低い値において、非常に低い値の力係数、従って、小さいコイルと小さい磁石系で十分であることは驚くべきことである。
【００１０】
尚、上述した０．６と１．４の限界はおおよそであり、満足のいく結果は、例えば、０．４又は更には０．２の比でも達成可能でありうる。
【００１１】
１つの有利な実施例では、上述した比は０．９より大きく１．１より小さく、また、この比は、１に実質的に等しいことが好適である。二乗された力係数と、変換器の電気抵抗と機械抵抗の積との比が１に実質的に等しいとき、変換器は、共振周波数において最大の効率を有する。しかし、１からの相対的に小さい偏差においても効率は依然として高く、また、高い音量が相対的に小さい力係数及び相対的に小さい入力電圧において達成可能である。
【００１２】
第１の実施例では、振動面は、スピーカコーンである。即ち、変換器は、標準のスピーカと似ているが、そのアクチュエータが異なる設計を有する。
【００１３】
第２の実施例では、振動面は、細長いストリップを有する。この実施例は、それが非常に平らで細いことが可能である点で有利である。
【００１４】
第３の実施例では、振動面は、第２の円筒部に対して可動に配置される第１の円筒部を有し、第１の円筒部及び第２の円筒部は、少なくとも部分的に同心である。
【００１５】
本発明の変換器では、コイルは実質的に不動であることが好適である。このことは、磁石は、振動膜を駆動するよう可動に構成されることを示唆する。実質的に不動のコイルは、コイルに接続される電気リード線も不動であることが可能であり、また、これらのリード線の屈曲が必要とされず、従って、変換器の耐用年数が延びるという利点を有する。本発明の変換器では、可動磁石が可能である。何故なら小さい磁束密度（Ｂ）を有する相対的に弱い磁場だけでよいからである。しかし、磁石が実質的に不動で、コイルが可動に構成される実施例が考えられる。
【００１６】
本発明は更に、上述した変換器を有するオーディオシステムを提供する。このようなオーディオシステムは、増幅器、チューナ、ＤＶＤプレイヤ、ディスプレイ（ＴＶ）スクリーン、及び／又は他の構成要素を有しうる。
【００１７】
本発明は更に、機械結合されるアクチュエータ及び振動面を有するオーディオ変換器を駆動する方法であって、この方法は、変換器にオーディオ入力信号を供給する段階を有し、オーディオ入力信号は、変換器の共振周波数と実質的に等しい平均周波数を有し、変換器は、実質的にその共振周波数において動作するよう設計される方法を提供する。この方法では、変換器は、コイルの磁束と長さの積に等しい力係数を有し、二乗された力係数と、変換器の電気抵抗と機械抵抗の積との比は有利に、０．６より大きく１．４より小さい。特に有利な実施例では、比は、０．９より大きく１．１より小さく、比は、１に実質的に等しいことが好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明を、添付図面に示す例示的な実施例を参照して以下に詳細に説明する。
【００１９】
図１には、オーディオ変換器の電圧感度を示すグラフを概略的に示す。変換器によって生成された音圧レベルＳＰＬ（垂直軸）が、周波数ｆ（水平軸）に応じて変化する様子が示される。ここでは、入力電圧は一定にされる。図１から分かるように、音圧レベルＳＰＬ、従って、感度Ｈ（音圧と入力電圧の比）は、周波数ｆ０において又は付近において最大である。本発明では、周波数ｆ０は、変換器の共振周波数である。
【００２０】
電圧感度Ｈが、
Ｈ＝ｐ／Ｖ
と定義されるとき、このとき、ｐは音圧（出力）であり、Ｖは電圧（入力）であり、共振周波数ｆ０における電圧感度は、
ｒ＝（Ｂｌ）２／（Ｒｍ  ｘ  Ｒｅ）＝１
のとき最大であることが数学的に示すことが可能である。このとき、Ｂ１は力係数であり、即ち、変換器コイルにおける磁場の密度Ｂとコイルの長さｌの積であり、Ｒｍ及びＲｅは、それぞれ、サスペンションの機械抵抗及びボイスコイルの電気抵抗である。これは、比較的低い値の力係数Ｂｌにおいて高い感度が得られることを可能にするので注目に値する。Ｒｍ＝０．０５ｋｇ／ｓ及びＲｅ＝６Ωの例示的な値を用いる場合、特定の入力電圧において高感度、高効率、及び従って高いオーディオ出力音量を達成するには、０．５Ｎ／ＡのＢｌ値しか必要でない。その結果、本発明の変換器の磁石及びコイルは比較的小さいことが可能である。
【００２１】
共振周波数ｆ０と変換器の動く質量ｍとの間には逆相関の関係があるので、動く質量ｍを調整することによって共振周波数ｆ０を変更することが可能である。即ち、動く質量ｍが増加すると、共振周波数ｆ０は減少する。一般的なスピーカといった従来の変換器とは対照的に、動く質量を増加することによって効率は減少しない。
【００２２】
上述した比ｒ、即ち、力係数の二乗と機械及び電気抵抗の積との比は、好適には、１と等しいか又は実質的に等しい。しかし、値１からの相対的に小さいずれも、満足のいく又は非常に満足のいく結果を依然として生成可能である。例えば、約０．６から約１．４までの範囲におけるｒの値は、良好な結果を生成し得、約０．８から約１．２までの範囲におけるｒの値は、より良好な結果を生成し得、一方で、０．９から１．１までの範囲におけるｒの値は、非常に良好な結果から最高の結果までを生成する。
【００２３】
比ｒは、機械品質尺度（Ｑｍ）と電気品質尺度（Ｑｅ）の比に等しいことを数学的に証明することが更に可能である。即ち、
ｒ＝Ｑｍ／Ｑｅ
これから、ｒ＝１であるとき、品質尺度は同一の値を有する、即ち、
Ｑｍ＝Ｑｅ
であることが分かる。即ち、最大変換器効率（ｒ＝１）は、機械品質尺度が電気品質尺度と等しいときに達成される。品質尺度Ｑｍ及びＱｅは、当業者に周知である量である。
【００２４】
図２に非制限的な例としてのみ示される変換器１は、アクチュエータ２と振動面３を有する。アクチュエータ２は、磁石４とコイル５を有しうる。図示する例では、磁石４は、磁石ホルダ１１内に配置された磁石素子のスタックによって構成される。磁石４は、磁石ホルダ１１によって振動面３に機械結合され、振動面３を駆動可能であるよう可動に配置される。磁石４は動くことが可能であるので、コイル５は不動であってよく、コイルは次に、コイルの動作によってすり切れることのない固定電気リード線（図示せず）を使用することを可能にする。しかし、この構成は必要不可欠ではなく、また、本発明の変換器は代わりに不動磁石及び可動コイルを有してもよい。図示する例では、コイル５は、保持リング８によってフレーム６に固定される。
【００２５】
振動面３は、従来のスピーカコーン又は以下により詳細に説明するように任意の好適な面であってよい。図示する実施例では、振動面３は、フレーム６の一部であるリング６ａによって支持される比較的硬い平らな円盤である。フレーム６は例えば金属から形成されうる。振動面自体は、プラスチック、ボール紙、又は任意の他の好適な材料から形成されうる。サスペンション（弾性縁）７は、振動面３とリング６ａとの間の遷移部を形成する。弾性素子１０は、磁石ホルダ１１の不動位置を決定し、また、これもフレーム６の一部であるリング６ｂに取り付けられる。
【００２６】
実質的に平らな振動面３によって、非常に小型の変換器設計が可能である。
【００２７】
変換器は、磁束密度Ｂとコイルの長さｌの積に等しい力係数Ｂｌを有する。本発明では、二乗の力係数は、上述したように、変換器の電気抵抗Ｒｅと変換器の機械抵抗Ｒｍの積に略等しいことが好適である。この条件が満足されるとき、変換器の電圧感度は、変換器の共振周波数において最適化される。これは、共振周波数において、１ボルト当たり最高の音圧が得られ、これが最大音圧（音響レベル）をもたらすことを意味する。このようにして、低可聴周波数（例えば、２０Ｈｚから１２０Ｈｚの範囲にある）は、共振周波数ｆ０が十分に低い場合に比較的高い音響レベルで生成可能である。尚、これらの音響レベルは、相対的に低い磁束密度Ｂ及び相対的に短いコイル長さｌを有する変換器によって生成可能である。従って、本発明の変換器は、非常に経済的且つ小型である。
【００２８】
図３の実施例は、弾性支持体に取り付けられた細長い金属ストリップによって構成される振動面３を有する。図２の弾性縁７と同じ機能を基本的に有する支持体は、フレーム６に取り付けられる。少なくとも１つの磁石４が金属ストリップ３に固定される。支持体７は、ゴム、ラテックス、又は他の好適な材料から形成されうる。図３の変換器は、相対的に長く且つ細く、従って、テレビ受像機、コンピュータスクリーンなどといった電化製品に取り付けるのに特に適している。
【００２９】
図４の実施例は、互いに対し可動に配置される内側円筒体３と外側円筒体６を有する。このようなタイプの変換器は、米国特許第６，３８５，３２７号に開示される。
【００３０】
図４の例示的な実施例では、内側円筒体３が、不動の外側円筒体６に対して上下に動くことが可能である。内側円筒体３の（上）面が振動面を構成する。このような構成は時に「通気式ボックス（vented  box）」と呼ばれる。駆動コイル５が外側円筒体６内に取り付けられ得、一方、磁石４が内側円筒体３内に取り付けられる。又は逆であってもよい。バネ１０が内側円筒体３の不動位置を決定する。本発明では、変換器１は、上述したように共振周波数ｆ０において最適化される。図４の実施例は、振動面の特に大きい偏位を可能にする。
【００３１】
直接的に、即ち、変換器の一部である振動面によって音を生成する図２、３、及び４の例示的な変換器の代わりに、別の本体を振動させることによって非直接的に音を生成する本発明の変換器を提供することも可能である。いわゆる「シェーカ」が装置のケーシング又はテーブルの天板といった面上に取り付けられることが可能であり、これらの面を振動面として使用する。
【００３２】
本発明の変換器の特に有利な適用を図５に概略的に示し、ここでは、変換器１は、オーディオシステム２０の一部である。図５のシステム２０は、バンドパスフィルタ２２、検出器２３、及び乗算器２４を有する。フィルタ２２は、例えば、低可聴周波数（約２０Ｈｚ−１２０Ｈｚ）である第１の周波数範囲に対応する通過帯域を有する。従って、フィルタ２２は、この第１の範囲以外の全ての周波数を除去する。検出器２３は、フィルタ２２から受信した信号を検出する。検出器２３は、それ自体知られているピーク検出器であることが好適であるが、それ自体知られている包絡線検出器であってもよい。非常に経済的な実施例では、検出器はダイオードによって構成されうる。
【００３３】
検出器２３によって生成される信号は、第１の範囲内に存在する組合せ信号の振幅を表す。乗算器２４は、この信号を、発生器２６によって発生された周波数ｆＧを有する信号によって乗算する。発生器周波数ｆＧは、変換器の共振周波数ｆ０と等しいことが好適である。
【００３４】
乗算器１４の出力信号は、周波数ｆＧを有し、一方でその振幅は、第１の周波数範囲に含まれる信号に依存する。尚、第１の範囲に含まれる任意の信号は出力信号（ｆＧに等しい周波数を有する）を生成する。
【００３５】
更に、図５のシステム２０は、検出器２３と乗算器２４との間に配置されるローパスフィルタ２５を有する。このローパスフィルタは、検出処理によって発生され得る任意の不所望の周波数を低減するよう機能する。
【００３６】
変換器１は、本発明の変換器であって、その共振周波数ｆ０において駆動されることが好適である。これは、高い音響レベルを結果としてもたらす。上述の説明から明らかであるように、システム２０は、バンドパスフィルタ２２によって決定される範囲に含まれる全てのオーディオ信号について共振周波数ｆ０における音響出力を生成する。これは、低可聴周波数を好適な音響レベルにおいて再生するためにそれらの低可聴周波数を変換器の特性に「調整する」ことを可能にする。
【００３７】
任意選択的に、システム２０内において、変換器１と発生器２６との間に制御路２８があってもよい。この制御路は、発生器２６が、周波数ｆ０を、（瞬時）インピーダンスといった変換器パラメータに依存して調整することを可能にする。特に、周波数ｆ０は、例えば、温度変動及び／又は生成パラメータにおけるずれにより変化しうるからである。
【００３８】
当業者には、（瞬時）インピーダンスといった変換器パラメータは、変換器の効率を決定可能にすることは明らかであろう。変換器の効率は、一般的に周波数によって変化するので、周波数の調整は、効率が最適化されることを可能にするであろう。このために発生器は、ｆＧの現在の値の周りの様々な周波数における効率を決定するために小さな（また可能ならばランダムな）周波数変動を導入しうる。これらの値のいずれかにおいて効率がより大きい場合は、ｆＧの値は変更されうる。この（任意選択的な）自動チューニング特徴は更に一層システムの有用性を高める。
【００３９】
上述の説明において、単一の周波数ｆ０のみを使用することを想定している。当然ながら、これは必須ではなく、変換器が複数の共振周波数を有する場合は、２つ以上の共振周波数ｆ０、ｆ１等を使用しうる。更に、又は、或いは、異なる共振周波数ｆ０、ｆ１等を有する２つ以上の変換器を並列で使用してもよい。
【００４０】
本発明は、小さなオーディオ変換器は、その変換器をその共振周波数において駆動することによって相対的に低い周波数において相対的に大音量の音響を生成するよう作成可能であるという見識に基づいている。本発明は、変換器の感度をその共振周波数において最適化することは、所望の周波数における変換器の性能を大幅に高めるという更なる見識から恩恵を受ける。
【００４１】
本発明の変換器は、オーディオ（ステレオ）システムに有利に使用されうる。このようなシステムは一般的に、オーディオ源、増幅器、及び１つ以上の変換器を有する。オーディオ源は、例えば、ＤＶＤプレイヤ及び／又はラジオチューナである。
【００４２】
尚、この文書において使用した任意の用語は、本発明の範囲を限定するよう解釈すべきではない。特に、「有する」という用語は、具体的に述べていない任意の素子を排除することを意味するものではない。単一の（回路）素子は、複数の（回路）素子又はそれらの等価物で代用されうる。
【００４３】
当業者は、本発明は上述した実施例に限定されず、また、多くの変更及び追加が、請求項に記載される本発明の範囲から逸脱することなく可能であることを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に使用しうる変換器の電圧感度を示すグラフである。
【図２】本発明の実施例の第１の実施例を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例の第２の実施例を示す平面図である。
【図４】本発明の変換器の第３の実施例を示す部分断面図である。
【図５】本発明の変換器が使用されるシステムの実施例を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2007506332.tif 000008
2007506332.tif 000009
2007506332.tif 000010