DE19604088C2 - Magnetelektrodynamisches Parallelaxialantriebssystem für Lautsprecher - Google Patents

Description

1. Grund der Erfindung

Ein aktuelles Problem in der Elektroakustik ist das hohe Gewicht und das große Volumen des Antriebssystems von konventionellen Lautsprechersystemen oder Beschall-Systemen bei einer guten akustischen Wiedergabe der tiefen Töne mit ausreichender Schall-Leistung.

Der Erfindungsgegenstand ermöglicht, aufbauend auf dem Stand der Technik, bei einer sehr kleinen flachen Bauweise und einem sehr kleinen Gesamtgewicht eine sehr gute Wiedergabe insbesondere der tiefen Töne, bei voll ausreichender Schall-Leistung.

Das magnetelektrodynamische Parallelaxialantriebssystem (Erfindungsgegen­ stand, im weiteren MEPA genannt) kann aufgrund seiner außergewöhnlichen konstruktiven und physikalischen Merkmale sowohl im HiFi-Bereich als auch in der Beschall-Technik erfolgreich eingesetzt werden.

2. Stand der Technik

Es ist ein Antriebssystem für Lautsprecher bekannt, beschreiben in der Patent­ schrift DE 37 30 305 C1, das den oben dargestellten Merkmalen am nächsten kommt. Die in diesem Patent beschriebene Erfindung stammt von A. Ziegenberg und E. Schiessle. Wir nennen dieses Antriebssystem, zur Unterscheidung vom neuen Erfindungsgegenstand (MEPA), magnetelektrodynamisches Koaxialan­ triebssystem (im weiteren MEKA genannt). Beim Stand der Technik (MEKA) ist das Magnetsystem im Inneren der Schwingspule koaxial angeordnet. Das Magnetsystem besteht aus zwei axial magnetisierten Magnetscheiben die über eine weichmagnetische Zwischenscheibe, geeigneter Dicke, so angeordnet sind, daß sie sich hinsichtlich ihrer magnetischen Polarisation eine Abstoßung ergibt. Dieses jochlose Magnetsystem zeichnet sich schon durch eine kleine flache und leichte Bauweise aus. Beim Erfindungsgegenstand (MEPA) ist das nur jochlose Magnetsystem durch ein vollständig "eisenfreies" Magnetsystem ersetzt. Das Magnetsystem befindet sich, beim MEPA nun nicht mehr zentrisch in der Mitte der Schwingspule, sondern zentrisch zwischen den beiden axial distanzierten und axial magnetisierten Magnetscheiben. Es ist damit eine flachere Bauweise der Schwingspule möglich. Der total "eisenlose" Magnetkreis ermöglicht eine weitere Gewichtsreduzierung. Durch die konstruktiv neuartige Parallelanord­ nung von Doppel-Permanentmagnetsystem und Schwingspule ist eine deutliche Verbesserung der Tonqualität im Bereich tiefer Frequenzen, und eine deutliche Anhebung des Schalldruckes und damit der Schall-Leistung möglich.

Die Patentschriften DE 39 29 266 C1 und DE 40 21 651 C1 (Erf.: A. Ziegenberg und E. Schiessle) beschreiben Antriebssysteme bestehend aus mehreren Spulen und mehreren Magneten, insbesondere auch Antriebssysteme für digitale und analoge mehrkanalige Lautsprecher. Diese Patente wirken sich aber auf den neuen Erfindungsgegenstand nicht neuheitsschädlich aus.

Die Patentschriften DE 39 29 266 C1 (Erfinder: A. Ziegenberg und E. Schiessle) und DE 43 17 775 C2 (Patentinhaber: Fa. Foster Co, Tokio) sowie die Offen­ legungsschriften DE 41 30 460 A1 (Patentinhaber Fa. Nokia Pforzheim) und die europäische Offenlegungsschrift EP 0618752 A1 (Kabushiki Kaisha Kenwood) beschreiben in den Patentansprüchen Aufhängungsmechanismen zwischen Schwingspule und Lautsprechermembranen, sie wirken somit auch nicht neu­ heitsschädlich für den Erfindungsgegenstand (MEPA).

3. Aufbau und physikalische Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes

In Fig. 1 ist der prinzipielle konstruktive Aufbau des Erfindungsgegenstandes, das "eisenlose" magnetelektrodynamischen Parallelaxialantriebssystem (MEPA) dargestellt.

Auf einer Grundplatte 1.7, aus einem nichtmagnetischen leichten nichtmetalli­ schen Werkstoff oder einer nichtmagnetischen Leichtmetall-Legierung, ist das MEPA befestigt. Es besteht aus dem ein- oder mehrteiligen Haltebolzen 1.4, aus einem nichtmagnetischen leichten nichtmetallischen Werkstoff oder einer nichtmagnetischen Leichtmetall-Legierung, aus zwei gelochten scheiben­ förmigen axial magnetisch polarisierten kleinen leichten Permanentmagneten 1.1 und 1.2 auf der Basis seltener Erden und der axial beweglichen Schwingspule 1.3 aus einem dünnen leichten runden oder eckigen Spulendraht aus einem Werkstoff mit einem sehr geringen elektrischen Temperaturkoeffizienten. Die flache Schwingspule hat einen ohmschen Widerstand von 4 bis 8 Ohm. Die Permanentmagnete 1.1 und 1.2 sind so am oberen und unteren Ende des Haltebolzens 1.4 angeordnet, daß ihre magnetischen Nordpole (N) einander zu­ gewandt sind. Dadurch kommt es zwischen den Permanentmagneten, durch magnetische Abstoßungskräfte, zu einer im wesentlichen radial nach außen ver­ laufenden Konzentration der magnetischen Feldlinien. Die symmetrisch zwi­ schen den Permanentmagneten 1.1 und 1.2 angeordnete und axial bewegliche Schwingspule 1.3 befindet sich damit vollständig in einem, im wesentlichen, ra­ dial nach außen gerichteten Magnetfeld. Schräg verlaufende magnetische Feld­ linien lassen sich immer in axiale (vertikale) und radiale (horizontale) Komponenten zerlegen, so daß auch schräg verlaufende magnetische Feldlinien für den (unten beschriebenen) Antriebseffekt ausgenutzt werden. Die Schwingspule 1.3 ist über die Membran 1.5 sowie die Hilfsmembran 1.6 zentroelastisch aufgehängt.

Wird nun die Schwingspule 1.3 mit einer niederfrequenten Signalspannung oder einem Gleichspannungssignal beaufschlagt so bewegt sich die Schwingspule 1.3, und mit ihr das Membransystem 1.5 und 1.6, aufgrund der magnetischen Wech­ selwirkung zwischen den radialen Magnetfeld­ komponenten der Parallelmagnetanordnung und dem durch die bestromte Schwingspule erzeugten Magnetfeld, im niederfrequenten Rhyth­ mus oder linear in axialer Richtung. Über diesen physikalischen Mechanismus wird somit der niederfrequente Spulenstrom, oder der Spulengleichstrom, in ein proportionales niederfrequentes akustisches Signal, oder einen Gleichschall- Druck, gewandelt.

Für Beschall-Lautsprecher mit einem Membran-Durchmesser von ca. 400 mm wurde mit dem MEPA ein 100 dB-Sinus-Schalldruck erreicht, bei einem MEPA- Gesamtgewicht von nur etwa 100 g. Konventionelle Antriebssysteme besitzen bei vergleichbaren technischen Daten ein Gesamtgewicht von etwa 10 kg. Das Ge­ wicht für das Antriebssystem nach der Patentschrift DE 37 30 305 C1 hat nur ei­ nen geringfügig höheren Gewichtswert, aber eine kleinere Schall- Leistung und eine schlechtere Klangwiedergabe bei tiefen Frequen­ zen, als der Erfindungsgegenstand (MEPA).

Der Grund für die höhere Schall-Leistung und die bessere Klangwiedergabe bei tiefen Frequenzen, ist darauf zurückzuführen, daß die Schwingspule für den gesamten Hub (der für tiefe Frequenzen bekanntlich besonders groß sein muß) im konzentrierten Magnetfeld der Parallelmagnetan­ ordnung 1,1 und 1.2 verbleibt.

Die geometrische Verteilung des magnetischen Feldes macht auch eine Unter­ teilung der Schwingspule in drei Abschnitte mit Wicklungen mit unterschied­ lichen Wicklungsrichtungen wie in der DE 43 17 775 C2 im Patentanspruch 3 beschreiben und in Fig. 8 dargestellt, überflüssig.

Außerdem ist konstruktionsbedingt durch den größeren geometrischen Abstand zwischen den beiden Permanentmagnete, beim MEPA gegenüber dem MEKA, eine einfachere fertigungstechnische Handhabung beim Aufbau des parallelaxi­ alen Doppel-Magnetsystems möglich.

Die Schwingspule 1.3 kann zusätzlich mit einem leichten dünnen Innenring aus einer vorzugsweise nichtmagnetostriktiven weichmagnetischen amorphen oder nanokristallinen Metall-Legierung bestückt werden. Dieser bewirkt über die Wirbelstrombildung eine weitere Linearisierung des Schwingspulenhubes im Magnetfeld und ein besseres Impedanzverhalten der Spule über den Nutzfre­ quenzbereich. Die Impedanzkurve der Spule verläuft im Nutzfrequenzbereich sehr vielfacher und die Impedanzüberhöhung, fällt deutlich schwächer aus. Das elektrische Verhalten der Schwingspule läßt eine bessere Leistungsanpassung der Schwingspulenimpedanz an die Ausgangsimpedanz einer NF-Leistungsendstufe zu. Denselben Effekt kann man mit Hilfe des Haltebolzens 1.4 erreichen, wenn dieser aus einem geeigneten nichtmagnetischen elektrisch leitfähigen Werkstoff besteht.

In Fig. 2 ist eine mögliche Ausführungsform eines Lautsprechers oder Beschall- Systems mit einem magnetelektrodynamischen Parallelaxialantriebssystem (MEPA) mit einer Flachmembran dargestellt. Die Permanentmagnete 2.1 und 2.2 bilden zusammen mit der Schwingspule 2.3 und dem Haltebolzen 2.11 das MEPA. Der Zentriertopf 2.4 dient der Aufnahme der Schwingspule und der Ver­ bindung zwischen der Hilfsmembran 2.6 sowie der Membran 2.5 die ihrerseits mit der Hilfsmembran verbunden ist. Der leichte Distanzring 2.10 ist mit dem Leichtmetall-Korb 2.7 und dieser über eine Halteplatte 2.8 mit der Grundplatte 2.9 verbunden.

Die physikalische Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes wurde schon weiter oben detailliert beschrieben.

Durch spezielle Ausgestaltungen der Membranen, sowie der Verbindungen zwischen den Membranen und den Verbindungen zwischen den Membranen und der Schwingspule, kann der Wirkungsgrad bei der Übertragung der mechanischen Antriebskraft von der Schwingspule auf die Membran weiter verbessert werden. Beeinflußt wird der Übertragungswirkungsgrad im wesentlichen durch das Gewicht und das elastomechanische Verhalten des verwendeten Membranmaterials sowie das Gewicht und das elastomechanische Verhalten des verwendeten Membranmateri­ als der mechanischen Kopplungselemente zwischen den Membranen und zwi­ schen Membranen und Schwingspule. Die Membran sollte aus einem möglichst leichten und doch mechanisch stabilen Material bestehen. Aus bionischer Sicht können hier besonders vorteilhaft natürliche oder künstliche organische horn­ artige Materialien wie z. B. Chitine oder chitinartige Materialien eingesetzt wer­ den. Für die Kopplungselemente können besonders vorteilhaft faserelastische natürliche oder künstliche proteinartige oder proteinhaltige Materialien eingesetzt werden.

Der Erfindungsgegenstand (MEPA) läßt sich aufgrund seines konstruktiven Auf­ baus mit beliebigen Membranen und Membranaufhängungen aus beliebigen Materialien auf sehr einfache Weise kombinieren unter Beibehaltung seiner aus­ gezeichneten physikalischen und technischen Eigenschaften.

Claims (4)

1. Magnetelektrodynamisches eisenloses Parallelaxialantriebssystem (MEPA) für Lautsprecher oder elektrodynamische Aktoren, wobei das System auf einem Träger 1.7, aus einem nichtmagnetischen leichten nichtmetallischen Material oder einer nichtmagnetischen Leichtmetall-Legierung mechanisch befestigt ist, wobei Haltebolzen 1.4 aus einem nichtmagnetischen leichten nichtmetallischen Material oder einer nichtmagnetischen Leichtmetall- Legierung mit zwei gelochten scheibenförmigen axial magnetisch polari­ sierten kleinen leichten Permanentmagneten 1.1 und 1.2 auf der Basis selte­ ner Erden mechanisch fest verbunden ist, wobei eine axial bewegliche mem­ brangeführte Schwingspule 1.3 aus einem dünnen leichten runden oder eckigen Spulendraht aus einem Material mit einem sehr geringen elektrischen Temperaturkoeffizienten, mit einem Widerstand von 4 bis 8 Ohm, zwischen den beiden Permanentmagneten angeordnet und über eine Membran 1.5 sowie eine Hilfsmembran 1.6 zentroelastisch aufgehängt ist, wobei die Permanentmagnete 1.1 und 1.2 so am oberen und unteren Ende des Haltebolzens 1.4 angeordnet sind, daß ihre magnetischen Nordpole (N) ein­ ander zugewandt sind so, daß es zwischen den Permanentmagneten, durch magnetische Abstoßungskräfte, zu einer im wesentlichen radial nach außen verlaufenden Konzentration der magnetischen Feldlinien kommt, dadurch gekennzeichnet, daß konzentrisch und symmetrisch zwischen den Permanentmagneten 1.1 und 1.2 eine axial bewegliche Schwingspule 1.3 angeordnete ist, welche sich vollständig in einem im wesentlichen radial nach außen gerichteten Magnet­ feld befindet.

2. Magnetelektrodynamisches Parallelaxialantriebssystem für Lautsprecher oder Beschall-Systeme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Permanentmagnete 2.1 und 2.2 über den Leichtmetall-Haltebolzen 2.11 distanziert sind, daß der Zentriertopf 2.4 die Schwingspule 2.3 mechanisch aufnimmt und gleichzeitig mit der Hilfsmembran 2.6 und der Flachmembran 2.5 mecha­ nisch so verbunden ist, daß die Hilfsmembran 2.6 von der Flach­ membran 2.5 definiert distanziert wird, die ihrerseits mit der Hilfsmembran 2.6 peripher direkt verbunden ist, wobei die Flachmembran 2.5 mit dem Distanzring 2.10 und dieser mit dem Leicht-Metallkorb 2.7 über eine Halteplatte 2.8 mit der Grundplatte 2.9, ver­ bunden ist.

3. Magnetelektrodynamisches Parallelaxialantriebssystem für Lautsprecher oder Beschall-Systeme nach Anspruch 1 und 2 in Flachmembran-Ausführung, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete 2.1 und 2.2 zusammen mit der Schwingspule 2.3 und dem Haltebolzen 2.11 das MEPA bilden, wobei der Zentriertopf 2.4 zur Aufnahme der Schwingspule und der Verbindung zwischen der Hilfsmembran 2.6 sowie der Membran 2.5 dient, die ihrerseits mit der Hilfsmembran verbun­ den ist, wobei der leichten Distanzring 2.10 mit dem Leichtmetall-Korb 2.7 und dieser über eine Halteplatte 2.8 mit der Grundplatte 2.9, welche auch das MEPA aufnimmt, verbunden ist.

4. Magnetelektrodynamisches Parallelaxialantriebssystem für Lautsprecher oder Beschall-Systeme nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus einem möglichst leichten und doch mechanisch stabilen Material besteht, wobei besonders vorteilhaft leichte natürliche oder künstliche organische hornartige Materialien, wie z. B. Chitine oder chitinartige Materialien, eingesetzt werden können und die Kopplungselemente besonders vorteilhaft aus leichten faserelastischen natürlichen oder künstlichen proteinartigen oder prote­ inhaltigen Materialien bestehen.