JP6276511B2 - 電気機械変換器及び電気音響変換器 - Google Patents

Description

本発明は、電気信号を機械振動に変換する電気機械変換器、及び、電気信号を音響に変換する電気音響変換器に関し、特にアーマチュア、ヨーク、コイル、磁石等からなる駆動部を備えた電気機械変換器及び電気音響変換器に関するものである。

補聴器等に用いられる電気音響変換器は、アーマチュア、ヨーク、コイル、１対の磁石などからなる駆動部を備え、コイルに供給される電気信号に応じてアーマチュアを駆動し、アーマチュアと他の部材との間の相対振動を音響に変換するように構成される。例えば、所謂バランスド・アーマチュア型（以下、バランス型と呼ぶ）の電磁型変換器の例として、特許文献１には、Ｕ字型のアーマチュアを用いた磁気回路の構造例が開示され、特許文献２には、Ｅ字型のアーマチュアを用いた磁気回路の構造例が開示されている。特許文献３には、上記と同様のバランス型の磁気回路を具備する電気音響変換器における耐衝撃性を向上させる構造例が開示されている。上記いずれの構造例においても、アーマチュアがヨークに接続され、磁気回路を構成している。また、上記のいずれの場合も、アーマチュアの一端が変位したときのアーマチュア自身の弾性による復元力が、その変位によって生じる磁石の磁気力（吸引力）より大きくなるように構成する必要がある。特許文献１〜３に開示された構造を採用する場合には、アーマチュアには軟磁性材料を用いることが不可欠である。

米国特許第７８６９６１０号明細書 米国特許第４４７３７２２号明細書 特開２００６−０４１７６８号公報

しかしながら、上記従来のバランス型の電磁型変換器においては、アーマチュアが磁気回路の一部を構成するので、その磁気特性に対する設計上の要求を満たすことが求められる。また、アーマチュアが変位した際、その復元力が磁石の磁気力より大きくなるような設計が要求される点は前述した通りであるが、従来の構造においては、アーマチュア自身の弾性により復元力を得ているので、アーマチュアの設計に際しては磁気的な要求と機械的な要求を満足させなければならない。例えば、アーマチュアの耐衝撃性を向上させるために、アーマチュアの板厚を厚くすることが考えられるが、アーマチュアの板厚を厚くすると、その弾性範囲の変位量を十分に確保できなくなる。またアーマチュアには必要な磁気特性が求められるため、降伏応力が大きく、耐衝撃性に強い一般のバネ材料を使用することも困難である。通常、アーマチュアは、その材料の磁気特性を十分に引き出すために加工後に磁性アニール処理が施されるため、熱処理により降伏応力を大きくすることも困難である。以上のように、上記従来の構造によれば、アーマチュアの設計上の自由度が大きく制限されることは避けられない。

本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、アーマチュアの設計の自由度を高めて小型かつ薄型に構成でき、良好な磁気特性と耐衝撃性とを両立し得る電気機械変換器及び電気音響変換器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、電気信号を機械振動に変換する電気機械変換器であって、少なくとも１対の磁石（１４〜１７）、前記磁石による磁束を導くヨーク（１１、１２）、前記電気信号が供給されるコイル（１３）を一体的に配置した構造部と、前記構造部の内部空間を貫く内側部（２２ａ）、前記内側部から両側に突出した第１の外側部（２２ｂ）及び第２の外側部（２２ｃ）とを有し、前記内側部のうち互いに逆向きの前記磁束が導かれる２つの領域を介して前記構造部と磁気回路を構成し、前記構造部に対して前記２つの領域における前記磁束の向きに平行に変位するアーマチュア（２２）と、前記２つの領域と前記構造部の間に形成されるそれぞれのギャップ（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４）と、前記アーマチュアの前記第１の外側部と前記構造部との間を結合する第１の弾性部材（２３）と、前記アーマチュアの前記第２の外側部と前記構造部との間を結合する第２の弾性部材（２４）とを備えて構成され、前記アーマチュアの変位による前記それぞれのギャップの大きさに応じて前記磁石による磁束が変化することを特徴とする。

本発明の電気機械変換器によれば、コイルに電流が流れないときに、そのコイルの空芯を含む構造部の内部空間の所定位置にアーマチュアが位置決めされた状態から、コイルに電流を流したときに内側部に加わる磁気力によってアーマチュアが相対的に変位し、２つの弾性部材により、アーマチュアの変位の大きさに比例し、変位と逆向きの復元力が作用する。よって、アーマチュア自身の弾性を利用することなく、アーマチュアの両端に取り付けた２つの弾性部材の復元力を利用する構造を採用したので、アーマチュアの設計上の自由度を高めることができる。すなわち、アーマチュアの板厚を薄くすることなく、十分な変位量を確保できるため、磁気回路の耐衝撃性の向上が可能となる。

本発明において、前記第１及び第２の弾性部材として、例えば、１対のバネ部材を用いることができる。この場合、１対のバネ部材の各々のバネ力を適切に設定することにより、前記復元力を与えることができる。

本発明において、前記構造部、前記アーマチュア、前記第１及び第２の弾性部材の全体を収容するハウジングを更に設けてもよい。この場合、アーマチュアの第１及び第２の外側部のそれぞれの端部をハウジングに固定することにより、アーマチュア及びハウジングを、構造部に対して相対的に変位させることができる。

本発明において、前記ヨークを複数のヨーク部材を一体化して形成し、前記構造部に、前記複数のヨーク部材の各々を位置決めするための１又は複数のスペーサを設けてもよい。また、前記１対の磁石として、前記アーマチュアを通す互いに逆向きの２つの磁束を形成するために、それぞれギャップを介して対向する２対の磁石を用いることができる。また、１対の磁石とヨークを組み合わせることにより、前記２つの磁束を形成してもよい。

本発明において、前記構造部のうち前記アーマチュアの前記第１及び第２の外側部の近傍に、前記構造部に対する前記アーマチュアの可動範囲を制限するプロテクタを設けてもよい。これにより、バネ部材の衝撃に起因する塑性変形に対する有効な対策を施すことができる。

また、上記課題を解決するために、本発明は、電気信号を音響に変換する電気音響変換器であって、上述の構造部、アーマチュア、ギャップ、第１及び第２の弾性部材に加えて、それぞれ一端が前記第１及び第２の外側部に各端部に固定された１対のロッド（６１、６２）と、前記１対のロッドのそれぞれの他端に接続され、前記構造部に対する前記アーマチュアの振動に応じて音圧を発生する振動板（６４ａ）を備えて構成され、前記アーマチュアの変位に応じて前記磁石による磁束が変化することを特徴とする。本発明の電気音響変換器においても、上述の電気機械変換器と同様の作用、効果を得ることができる。

本発明の電気音響変換器において、前記振動板の全体を収容するハウジングと、前記ハウジングに取り付けられ、前記振動板が発生する音響を外部に出力する音口と、前記振動板の周囲に張設され、前記振動板の振動方向に対して可動な材料からなるコルゲーションと、前記コルゲーションの周囲に形成され、前記ハウジングと一体的に固定された枠部とを更に設けてもよい。この場合、前記構造部を前記ハウジングに固定することにより、アーマチュアと構造部の相対的な振動を確実に音響に変換して外部に出力することが可能となる。

本発明によれば、アーマチュア自身の弾性を利用することなく、アーマチュアの両端と構造部との間を結合する１対の弾性部材を設け、アーマチュアの変位の復元力を与えるように構成したので、アーマチュアの設計上の自由度を高めることができる。これにより、良好な磁気特性と耐衝撃性とを両立でき、小型高出力化に適した電気機械変換器及び電気音響変換器を実現することが可能となる。

第１実施形態の電気機械変換器の構造を示す正面図である。 図１の電気機械変換器を上方から見たときの上面図である。 図１の電気機械変換器を紙面右側から見たときの右側面図である。 第１実施形態の電気機械変換器における後述の磁気回路部の分解斜視図である。 図２のＡ−Ａ断面における断面構造図である。 第１実施形態の電気機械変換器との対比のための比較例として、従来型のバランスド・アーマチュア型の電磁型変換器における磁気回路部の断面構造を模式的に示す図である。 図６の磁気回路部を紙面右側から見たときの断面図である。 第２実施形態の電気機械変換器を上方から見たときの上面図である。 図８のＡ−Ａ断面における断面構造図である。 第３実施形態の電気機械変換器の構造を示す正面図である。 図１０の電気機械変換器を上方から見たときの上面図である。 図１０の電気機械変換器を紙面右側から見たときの右側面図である。 第３実施形態の電気機械変換器における磁気回路部の分解斜視図である。 第４実施形態の電気音響変換器の構造を示す上面図である。 図１４の電気音響変換器を紙面右側から見たときの右側面図である。 図１４のＡ−Ａ断面における断面構造図である。 第５実施形態の電気機械変換器の主要部の構造を示す正面図である。 図１７の電気音響変換器の主要部を上方から見たときの上面図である。 図１７の電気機械変換器の主要部を紙面右側から見たときの右側面図である。 第５実施形態におけるバネ部材及びバネベースの構造を拡大して示す図である。

本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明を適用した形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。以下では、電気信号を機械振動に変換する電気機械変換器、及び、電気信号を音響に変換する電気音響変換器に対して本発明を適用した複数の実施形態について説明する。

［第１実施形態］
図１〜図５を参照して、本発明を適用した第１実施形態の電気機械変換器について説明する。図１は、第１実施形態の電気機械変換器の内部構造を示す一部欠け端面図（正面図）である。図１の右側には、便宜上Ｘ方向及びＺ方向をそれぞれ矢印にて示している。図２は、図１の電気機械変換器をＺ方向に沿って紙面上方から見たときの一部欠け端面図（上面図）であり、Ｘ方向及びＹ方向をそれぞれ矢印にて示している。図３は、図１の電気機械変換器をＸ方向に沿って紙面右側から見たときの一部欠け端面図（右側面図）であり、Ｙ方向及びＺ方向をそれぞれ矢印にて示している。図４は、第１実施形態の電気機械変換器における後述の磁気回路部の分解斜視図である。図５は、図２のＡ−Ａ断面における断面構造図である。

第１実施形態の電気機械変換器は、その全体を収容するハウジング１０と、ハウジング１０内の駆動部を構成する１対のヨーク１１、１２、４つの磁石１４、１５、１６、１７、コイル１３、４つのスペーサ１８、１９、２０、２１、アーマチュア２２、バネ部材２３（本発明の第１の弾性部材）及びバネ部材２４（本発明の第２の弾性部材）を備えている。ハウジング１０は、上下対称に配置された下部のハウジング部材１０ａ及び上部のハウジング部材１０ｂを一体化した構造を有し、その内部に上記駆動部の各構成要素が配置されている。上記駆動部のうち、ヨーク１１、１２、４つの磁石１４〜１７、コイル１３、スペーサ１８〜２１は、一体的に配置された本発明の構造部として機能し、この構造部の内部空間を貫くアーマチュア２２が駆動部に対して可動に配置されている。なお、図１〜図３は、いずれもハウジング１０を部分的に除去して内部を見た構造を示しているが、実際には電気機械変換器の全体がハウジング１０に覆われている。

ヨーク１１、１２は、下部のヨーク１１（本発明のヨーク部材）と上部のヨーク１２（本発明のヨーク部材）がＺ方向に対向配置されている。図４に示すように、各々のヨーク１１、１２の中央部には、それぞれ内面を向く凹部１１ａ、１２ａが形成され、空芯のコイル１３が上下のヨーク１１、１２の各凹部１１ａ、１２ａに挟まれるように空芯（貫通孔）の両端をＸ方向に開口させて配置されている。コイル１３は、ヨーク１１、１２の中央に位置決めされ、ヨーク１１、１２の内面側と接着剤で固定されている。

ヨーク１１、１２のＸ方向の両側には、磁石１４〜１７が対称的に配置されている。すなわち、１対の磁石１４、１５がヨーク１１、１２のＸ方向の一端の各対向面に接着固定され、１対の磁石１６、１７が同様にヨーク１１、１２のＸ方向の他端の各対向面に接着固定されている。

ヨーク１１、１２は、磁石１４、１５の近傍でＹ方向に対向配置される１対のスペーサ１８、２０と、磁石１６、１７の近傍でＹ方向に対向配置される１対のスペーサ１９、２１とに支持されている。これら４つのスペーサ１８〜２１の各々は、図３に示すように、内側に向かって凸形状に形成され、その凸形状の上下にヨーク１１、１２が位置決めされつつ、レーザ溶接又は接着材で固定される。

アーマチュア２２は、Ｘ方向に長尺の板状部材であり、１対の磁石１４、１５の間の空間と、コイル１３の貫通孔と、１対の磁石１６、１７の間の空間をそれぞれ貫くように配置されている。図３に示すように、アーマチュア２２の上下（Ｚ方向の両面）には、磁石１４〜１７との間に平行な隙間が形成されており、それぞれの隙間がギャップＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４（図５）を構成する。第１実施形態の例では、同形状の４つの磁石１４〜１７と、同形状の４つのスペーサ１８〜２１と、同形状の４つのギャップＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４を有する構造を示している。また、アーマチュア２２は、その動作範囲内でＺ方向に変位したとき、コイル１３と接触しない程度の適当な隙間を有するように配置される。

図４に示すように、アーマチュア２２は、ヨーク１１、１２に対向する空間（構造部の内部空間）に位置する内側部２２ａと、ヨーク１１、１２に対向する空間から両側に突出した外側部２２ｂ、２２ｃからなる。アーマチュア２２の内側部２２ａは、Ｙ方向で磁石１４〜１７の幅と同程度の幅に形成され、ヨーク１１、１２、磁石１４〜１７及びコイル１３とともに磁気回路を構成する。アーマチュア２２の外側部２２ｂ、２２ｃは、Ｙ方向で磁石１４〜１７の幅よりも細い幅に形成されている。なお、外側部２２ｂ、２２ｃを磁石１４〜１７と同じ幅で形成してもよいが、磁石１４〜１７よりも細い幅とすることで軽量化でき、駆動効率を高めることができる。

アーマチュア２２の外側部２２ｂ、２２ｃには、磁気的な性能は要求されないが、もっぱら機械的要素としての役割が要求され、外側部２２ｂ、２２ｃに板状部材を折り曲げ加工したバネ部材２３、２４がそれぞれ取り付けられている。図３に示すように、バネ部材２３（２４）の中央部２３ａ（２４ａ）は、アーマチュア２２の外側部２２ｂ（２２ｃ）とレーザ溶接等により固定され、バネ部材２３（２４）の両端の先端部２３ｂ（２４ｂ）は、下部のヨーク１１とレーザ溶接等により固定される。ただし、図３の構造には限られず、バネ部材２３、２４を上部のヨーク１２と固定してもよいし、例えば、一方のバネ部材２３を上部のヨーク１２と固定し、かつ他方のバネ部材２４を下部のヨーク１１と固定してもよい。

バネ部材２３、２４は、アーマチュア２２が磁気回路内でギャップＧ１〜Ｇ４に対して相対的に変位したとき、その変位の大きさに比例した復元力をアーマチュア２２に与える役割がある。第１実施形態においては、バネ部材２３、２４が上述の磁気回路部と一体的に駆動部を構成する。また、アーマチュア２２の両側の外側部２２ｂ、２２ｃの各々は、その両端が上下のハウジング部材１０ａ、１０ｂに挟まれた状態で接着剤等により固定される。このような構造により、前述の駆動部の各構成要素はハウジング１０（ハウジング部材１０ａ、１０ｂ）内に収納される。

ハウジング１０の外側の一端には、１対の電気端子２５が設けられている。この電気端子２５には、コイル１３から延出される１対のリード線１３ａが半田付け等により電気的に接続される。これにより、ハウジング１０の外部から電気端子２５及びリード線１３ａを介してコイル１３に通電することができる。

アーマチュア２２とハウジング１０との上述の結合部分は、駆動部で発生した振動がハウジング１０に確実に伝達されるように十分な剛性を持たせる必要がある。アーマチュア２２とハウジング１０との間の結合部分が十分な剛性を持たない場合は、アーマチュア２２とハウジング１０との間に補強部材を設けて十分な剛性を得るようにしてもよい。

ハウジング１０は、アーマチュア２２の両端とリード線１３ａ以外の部分では、駆動部と接触しないような構造であり、正常な動作範囲内でも接触しないような適度な隙間を持つ構造とされる。第１実施形態の電気機械変換器において、通常、ハウジング部材１０ａ、１０ｂの結合部分は接着剤等によりシールされるので、ハウジング１０の内部は密閉される状態になる。

次に、第１実施形態の電気機械変換器の各構成要素の材料について説明する。ヨーク１１、１２及びアーマチュア２２には、例えば、４５％Ｎｉのパーマロイ等の軟磁性材料が用いられる。磁石１４〜１７には、例えば、サマリウムコバルト磁石、ネオジム磁石、アルニコ磁石などが用いられる。スペーサ１８〜２１は、軟磁性材料を用いてもよいが、非磁性材料の金属を用いてもよい。例えば、ＳＵＳ３０４等のステンレスやチタンを用いることができる。また、スペーサ１８〜２１に対して磁石１４〜１７の吸引力が常時作用するため、その力の影響によりヨーク１１、１２の位置を変化させない限り、スペーサ１８〜２１にプラスチック材料を用いてもよい。コイル１３には、例えば、自己融着銅線などの線材が用いられる。バネ部材２３、２４は、バネ用ＳＵＳ等のバネ材料が用いられる。

ハウジング１０は、電気機械変換器を支持可能な強度の範囲内で極力軽い材料を用いることが望ましい。例えば、プラスチック材料又はステンレス等の金属材料が用いられる。磁気回路からの漏洩磁束が問題になる場合には、ハウジング１０の材料として、例えば、７８％Ｎｉパーマロイ等の軟磁性材料を用いてもよい。

次に、図５を用いて、第１実施形態の電気機械変換器の動作について説明する。図５に示すように、コイル１３を挟んで対向配置された１対の磁石１４、１５及び１対の磁石１６、１７は、互いに逆方向に着磁されている。例えば、図５の右側の磁石１４、１５は下方向に磁化され、図５の左側の磁石１６、１７は上方向に磁化される。このように磁化された磁石１４〜１７により、ヨーク１１、１２及びアーマチュア２２には、実線矢印にて示す磁束Ｂ１が発生する。

そして、磁束Ｂ１のうちギャップＧ１〜Ｇ４を通る磁束による磁気力がアーマチュア２２に作用する。具体的には、アーマチュア２２に対し、下側のギャップＧ１、Ｇ３を介して下向きの力が作用するとともに、上側のギャップＧ２、Ｇ４を介して上向きの力が作用する。これら４つの力が釣り合っていない場合には、アーマチュア２２は力の大きい方に変位する。よって、コイル１３に電流が流れていない状態で上記４つの力が釣り合うようにアーマチュア２２が位置決めされる。このとき、アーマチュア２２が変位しないので、ギャップＧ１を通る磁束とギャップＧ２を通る磁束がほぼ等しく、かつ、ギャップＧ３を通る磁束とギャップＧ４を通る磁束もほぼ等しい状態にある。そのため、アーマチュア２２のうちコイル１３に囲まれた部分には正味の磁束が流れない状態にある。

上記の状態でコイル１３に電流を流す場合、アーマチュア２２のうちコイル１３に囲まれた部分には、電流の方向に応じた向きの磁束が発生する。例えば、図５は、コイル電流により、アーマチュア２２に点線矢印で示す磁束Ｂ２が発生する状態を示している。このとき、図５における磁束Ｂ１及び磁束Ｂ２の方向性を考慮すると、磁束Ｂ２の発生により、ギャップＧ１とギャップＧ３の磁束はそれぞれ増加し、ギャップＧ２とギャップＧ４の磁束はそれぞれ減少する。その結果、アーマチュア２２は下向きの磁気力を受けて下向きに変位する。

アーマチュア２２が下向きに変位したとき、バネ部材２３、２４により、変位を元の位置に戻そうとする復元力が作用する。アーマチュア２２が変位したときバネ部材２３、２４の復元力の和が、アーマチュア２２に働く磁気力に比べて大きい場合は、アーマチュア２２が磁石１４、１６に吸着することは避けられる。以上の動作は、所謂バランスド・アーマチュア型の電磁型変換器の動作原理と同様である。なお、コイル電流が上記と逆向きである場合は、アーマチュア２２が上向きの磁気力を受けて上向きに変位する状態を想定すればよい。

ここで、アーマチュア２２以外のヨーク１１、１２、コイル１３、磁石１４〜１７、スペーサ１８〜２１からなる部分（本発明の構造部）とアーマチュア２２との相対振動を考える。上述したように、コイル１３への電気信号の印加時に流れる電流に応じた駆動力が発生し、この駆動力が上述の相対振動を生じさせる。アーマチュア２２の両端とハウジング１０とが十分な剛性をもって固定されるので、アーマチュア２２と構造部との間に発生した駆動力は、アーマチュア２２を通してハウジング１０に伝達され、ハウジング１０に振動を生じさせる。以上のように、第１実施形態の電気機械変換器は、電気端子２５に印加される電気信号に対応する機械振動を発生するように構成される。

図６は、第１実施形態の電気機械変換器との対比のための比較例として、従来型のバランスド・アーマチュア型の電磁型変換器における磁気回路部の断面構造を模式的に示している。また、図７は、図６の磁気回路部をＸ方向に沿って紙面右側から見たときの断面図である。本比較例の磁気回路部は、ヨーク３０と、コイル３１と、アーマチュア３２と、１対の磁石３３、３４とを備えている。また、１対の磁石３３、３４とアーマチュア３２との隙間がギャップＧａ、Ｇｂを構成する。本比較例の構造においては、図６に示すように、Ｕ字状に折り曲げられたアーマチュア３２は、変位したときの復元力がアーマチュア３２自身の弾性により与えられ、第１実施形態のバネ部材２３、２４に相当する部材は設けられていない。

また、磁石３３、３４及びギャップＧａ、Ｇｂはアーマチュア３２のＸ方向の片側だけに設けられ、この部分でアーマチュア３２がヨーク３０と磁気的に結合する構造となっている。１対の磁石３３、３４は、矢印方向に磁化されており、これによりヨーク３０及びアーマチュア３２には、図７に示すように、ＹＺ面内の両側で対称的な磁気回路に磁束Ｂ３が発生する。磁束Ｂ３のうち、ギャップＧａ、Ｇｂを通るそれぞれの磁束による２つの磁気力がアーマチュア３２に作用する。コイル３１に電流が流れていない状態では、上記２つの磁気力が釣り合うようにアーマチュア３２が位置決めされる。このとき、上下のギャップＧａ、Ｇｂを通る磁束が等しくなり、アーマチュア３２のうちコイル３１に囲まれた部分には磁束が流れない。

上記の状態でコイル３１に電流を流す場合、アーマチュア３２のうちコイル３１に囲まれた部分に磁束が発生する。例えば、図６は、コイル電流により、アーマチュア３２に点線矢印で示す磁束Ｂ４が発生する状態を示している。磁束Ｂ４の発生により、ギャップＧｂの磁束は増加し、ギャップＧａの磁束は減少する。その結果、アーマチュア３２は上向きの力を受けて上向きに変位する。この状態でコイル電流をゼロにすれば、Ｕ字状のアーマチュア３２自身の弾性による復元力により、アーマチュア３２が元の位置に戻る。この場合、コイル３１への電気信号の印加時に流れる電流に応じた駆動力が発生し、その駆動力がアーマチュア３２を振動させる。

ここで、図６及び図７に示す構造を有する電磁型変換器において、アーマチュア３２が釣り合いの位置から変位している状態を考える。例えば、アーマチュア３２を上側のギャップＧｂの方向に変位させた場合、アーマチュア３２自身の弾性による復元力も変位に比例するが、その向きは変位を戻そうとする向きに働く。このような弾性力の変位に対する比は正のスティフネスと呼ばれる。これに対して、ギャップＧｂが小さくなるためギャップＧｂにおける磁束が増加し、かつ、ギャップＧａにおける磁束が減少する。その結果、アーマチュア３２には上向きの磁気力が作用する。このときの磁気力の大きさは、アーマチュア３２の釣り合いの位置からの変位にほぼ比例し、磁気力の向きは変位した方向に一致する。

一方、上記磁気力は上記復元力と逆向きの力であるため、上記磁気力の変位に対する比は、通常、負のスティフネスと呼ばれる。

アーマチュア３２がギャップＧａ、Ｇｂ内で変位したときに必ず元の位置に戻るための条件として、アーマチュア３２自身の持つ正のスティフネスを負のスティフネスの絶対値よりも大きくする必要がある。しかし、上記構造を有する電磁型変換器においては、所定の大きさの範囲内で駆動力を高めるためには、負のスティフネスの絶対値がより大きい方が望ましい。従って、アーマチュア３２自身の持つ正のスティフネスも必然的に大きくする必要があり、アーマチュア３２による大きな復元力を得るためにアーマチュア３２の板厚を厚くする必要がある。アーマチュア３２の板厚は厚くするほど弾性範囲内の変位が小さくなっていく。

上記構造を有する電磁型変換器を小型に構成し、かつ大振幅で駆動させるには、アーマチュア３２の板厚を薄くする必要がある。しかし、アーマチュア３２の正のスティフネスは板厚の３乗に比例することが知られており、それに応じて負のスティフネスも小さくする必要がある。その結果、最大変位量を大きくできたとしても、振動の駆動力が小さくなる。さらに、板厚が薄くなることで降伏応力が小さくなるため衝撃に対しても弱くなることは避けられない。すなわち、上記構造を有する電磁型変換器では、振動の最大駆動力と最大変位量がトレードオフの関係を有することになる。以上のように、本比較例の構造によれば、アーマチュア３２自身の弾性による復元力を利用しているため、アーマチュア３２を設計する際、その板厚に大きい制約を受ける。

これに対し、第１実施形態の電気機械変換器の構造は、図６及び図７に示す比較例とは異なり、アーマチュア２２の設計時に上述の制約を受けない。具体的には、第１実施形態のアーマチュア２２のスティフネスは、板厚には依存せず、別部品であるバネ部材２３、２４に依存して定まるので、所望のスティフネスとは無関係にアーマチュア２２の板厚を決めることができる。第１実施形態の電気機械変換器が図５のＺ方向の大きな衝撃を受けた場合、バネ部材２３、２４はギャップＧ１〜Ｇ４程度の変形を受けるが、バネ部材２３、２４の弾性範囲内の変形がこの程度の変形より十分大きくなるように設計しておくことによりＺ方向の耐衝撃性向上が可能である。これに対して従来構造の場合、Ｚ方向の大きな衝撃を受けると、アーマチュア３２自体に大きな応力がかかるため、Ｚ方向の十分な耐衝撃性を得ることが難しい。従って、本発明を適用した電気機械変換器によれば、磁性材料からなるアーマチュア２２自身の弾性を利用することなく、別部品であるバネ部材２３、２４を用いてアーマチュア２２の復元力を与えることにより、図６及び図７の構造の上述の問題点を解消し、駆動力と変位量の両方を大きくでき、小型高出力化に適した電気機械変換器を実現することができる。以上述べた効果は、第１実施形態に加えて、以下で説明する第２〜第５実施形態においても共通である。

［第２実施形態］
次に、図８及び図９を参照して、本発明を適用した第２実施形態の電気機械変換器について説明する。第２実施形態の電気機械変換器は、その構造の多くが第１実施形態と共通であるので、以下では主に異なる点について説明する。図８は、第２実施形態の電気機械変換器の構造を示す上面図（一部欠け端面図）であり、図９は、図８のＡ−Ａ断面における断面構造図である。図８及び図９は、それぞれ第１実施形態の図２及び図５に対応し、Ｘ、Ｙ、Ｚで表す方向性についても共通である。

第２実施形態の電気機械変換器において、第１実施形態と実質的に同一の構成要素については、同一の部材番号で表記される。一方、第２実施形態の電気機械変換器は、４つのヨーク４０、４１、４２、４３及び２つの磁石４４、４５を備え、その構造及び配置については第１実施形態のヨーク１１、１２及び磁石１４〜１７とは異なっている。

具体的には、Ｘ方向に沿って、一方の側には下部のヨーク４０と上部のヨーク４１が対向配置され、他方の側には下部のヨーク４２と上部のヨーク４３が対向配置されている。そして、一方の磁石４４が下側のヨーク４０、４２の間に接着固定され、他方の磁石４５が上側のヨーク４１、４３の間に接着固定されている。

第２実施形態においては、アーマチュア２２、ヨーク４０〜４３、磁石４４、４５、コイル１３によって構成される磁気回路が、第１実施形態のそれとは異なっているが、磁気回路としての機能は同じである。すなわち、図９に示すように、下部の磁石４４と上部の磁石４５は、互いに逆方向に磁化され、これらの磁石４４、４５により、ヨーク４０〜４３及びアーマチュア２２には、実線矢印にて示す磁束Ｂ５が発生する。また、コイル１３に電流を流したときは、アーマチュア２２には、点線矢印にて示す磁束Ｂ６が発生する。なお、図９の磁束Ｂ５、Ｂ６による作用は、図５の磁束Ｂ１、Ｂ２による作用とほぼ共通である。

第２実施形態の構造によれば、磁石１４〜１７を設ける第１実施形態の構造と比べ、２つの磁石４４、４５を設けるのみでよい。ただし、磁石４４、４５がアーマチュア２２から離れて配置されているため、コイル１３の電流が流れていない状態でアーマチュア２２を適切に位置決めすることが重要となる。第２実施形態の電気機械変換器において、駆動力と変位量に関する効果については第１実施形態とほぼ同様であるため、説明を省略する。

［第３実施形態］
次に、図１０〜図１３を参照して、本発明を適用した第３実施形態の電気機械変換器について説明する。第３実施形態の電気機械変換器は、その構造の多くが第１実施形態と共通であるので、以下では主に異なる点について説明する。図１０は、第３実施形態の電気機械変換器の構造を示す正面図（一部欠け端面図）であり、図１１は、図１０を上方から見たときの上面図（一部欠け端面図）であり、図１２は、図１０を紙面右側から見たときの右側面図（一部欠け端面図）であり、図１３は、第３実施形態の電気機械変換器における磁気回路部の分解斜視図である。図１０〜図１３は、それぞれ第１実施形態の図１〜図４に対応し、Ｘ、Ｙ、Ｚで表す方向性についても共通である。なお、図１１のＡ−Ａ断面における断面構造図については、第１実施形態の図５と共通である。また、図１１では、ヨーク５０及び磁石１５についても部分的に除去して示している。

第３実施形態の電気機械変換器において、第１実施形態と実質的に同一の構成要素については同一の部材番号で表記される。一方、第３実施形態の電気機械変換器において、第１実施形態と異なる点は、４つのスペーサ１８〜２１が設けられず、かつ、上下対称に配置されたヨーク５０、５１を一体化した構造を有することである。

図１３に示すように、下部のヨーク５０と上部のヨーク５１は、それぞれ内面を向く凹部５０ａ、５１ａが形成され、それぞれの凹部５０ａ、５０ｂの両側における４つの角部が互いに接合することにより一体的なヨークを構成する。これにより、ヨーク５０、５１は、第１実施形態のスペーサ１８〜２１と同様の支持構造を有するので、スペーサ１８〜２１が不要となる。第３実施形態における磁気回路においては、第１実施形態の図５と同様、磁石１４〜１７による磁束Ｂ１（実線矢印）とコイル電流による磁束Ｂ２がそれぞれ発生する。ただし、図１２に示したように、第３実施形態の構造にはヨーク５０の側部が存在するため、磁束Ｂ１には、ＸＺ平面内のループ状の成分だけではなく、比較例の磁束Ｂ３（図７）と同様、ＹＺ平面内のループ状の成分も含まれる。第３実施形態の電気機械変換器において、駆動力と変位量に関する効果については第１実施形態とほぼ同様であるため、説明を省略する。

［第４実施形態］
次に、図１４〜図１６を参照して、本発明を適用した第４実施形態の電気音響変換器について説明する。第１〜第３実施形態では、電気信号を機械振動に変換する電気機械変換器の例を示したが、第４実施形態では、電気信号を音響に変換して外部に出力する電気音響変換器の例を示す。図１４は、第４実施形態の電気音響変換器の構造を示す上面図（一部欠け端面図）であり、図１５は、図１４を紙面右側から見たときの右側面図（一部欠け端面図）であり、図１６は、図１４のＡ−Ａ断面における断面構造図である。図１４〜図１６は、それぞれ第１実施形態の図２、図３、図５に対応し、Ｘ、Ｙ、Ｚで表す方向性についても共通である。

第４実施形態の電気音響変換器において、駆動部については第３実施形態の駆動部と実質的に同一の構造であるため、その構成要素に同一の番号を付して説明を省略する。第４実施形態においては、図１５及び図１６に示すように、ヨーク５０が下部のハウジング部材６０ａにレーザ溶接等で固定され、アーマチュア２２はハウジング６０に固定されず、１対の板状のロッド６１、６２がアーマチュア２２の両端にレーザ溶接等で固定されている。そして、ハウジング６０の端部に振動板組立部６４が配置され、上方に延伸されるロッド６１、６２の先端部６１ａ、６２ａが、振動組立部６４の両側の２つの矩形孔を貫通し、それぞれ接着剤６５で固定される。振動板組立部６４の外周側に形成された枠部６４ｃは、ハウジング６０を構成する下部のハウジング部材６０ａと上部のハウジング部材６０ｂとに挟まれた位置で、数ヶ所の接合部を介してレーザ溶接でハウジング６０と一体的に固定される。なお、図１４において、ハウジング６０と枠部６４ｃは平面視で同一の外周形状に形成される。

振動板組立部６４において、枠部６４ｃの内周側にフィルム状のコルゲーション６４ｂが張設され、そのコルゲーション６４ｂの全周に振動板６４ａが接着されている。コルゲーション６４ｂの役割は、振動板６４ａがＺ方向に振動したときに、その振動を妨げることなく、ハウジング６０内の空間を仕切って音圧を有効に発生させることにある。また、図１６に示すように、上部のハウジング部材６０ｂの一端には切り欠き６０ｃが形成され、その部分の外部に向かって音口６３が取り付けられ、音口６３と上下のハウジング部材６０ａ、６０ｂがレーザ溶接で固定される。以上の構造により、コイル１３に電流を流してアーマチュア２２が上下に振動したとき、２つのロッド６１、６２を経由して振動板６４ａが上下に並進振動することで音圧が発生し、それが音口６３から外部に出力される。なお、ハウジング６０と枠部６４ｃの接合部、及び、ハウジング６０と音口６３の接合部から音が漏れないようにするため、それらの接合部が接着剤でシールされる。

［第５実施形態］
次に、図１７〜図２０を参照して、本発明を適用した第５実施形態の電気機械変換器について説明する。第５実施形態の電気機械変換器は、その構造の多くが第３実施形態と共通であるので、以下では主に異なる点について説明する。図１７は、第５実施形態の電気機械変換器の主要部の構造を示す正面図（一部欠け端面図）であり、図１８は、図１７を紙面上方から見たときの上面図（一部欠け端面図）であり、図１９は、図１７を紙面右側から見たときの右側面図（一部欠け端面図）である。なお、図１７〜図１９は、それぞれ第３実施形態の図１０〜図１２に対応し、Ｘ、Ｙ、Ｚで表す方向性についても共通であるが、ハウジング１０及びそれに関連する部材については、簡略化のため図示を省略している。また、図１７及び図１８では、ヨーク５０、５１及び磁石１５についても部分的に除去して示している。

第５実施形態の電気機械変換器において、第３実施形態と実質的に同一の構成要素については同一の部材番号で表記される。第５実施形態の特徴は、第３実施形態の電気機械変換器に対して衝撃対策を施した点である。図１７に示すように、第５実施形態の電気機械変換器には、衝撃対策を目的とした４つのプロテクタ７０、７１、７２、７３が設けられている。ヨーク５０、５１に対し、Ｘ方向の一方の端部には１対のプロテクタ７０、７１がレーザ溶接等で固定され、Ｘ方向の他方の端部には１対のプロテクタ７２、７３がレーザ溶接等で固定される。各々のプロテクタ７０〜７３は、図１７に示すように、両端部分が中央部分から若干突出した断面形状を有する板状部材である。これらのプロテクタ７０〜７３は、図１７に示すように、アーマチュア２２の内側部２２ａとＸ方向の適度な隙間を持って対向し、かつ、図１８に示すように、アーマチュア２２の外側部２２ｂ、２２ｃとＹ方向の適度な隙間を持って対向した状態で配置される。

第５実施形態では、上述のようにアーマチュア２２と隙間を持って配置されるプロテクタ７０〜７３を設けたことにより、アーマチュア２２とヨーク５０、５１とのＸ方向及びＹ方向の相対的な可動範囲を制限することが可能となり、耐衝撃性を改善することができる。なお、アーマチュア２２とプロテクタ７０〜７３との隙間の大きさは、衝撃によってアーマチュア２２とプロテクタ７０〜７３が衝突したとしても、バネ部材７４、７５等の弾性範囲を超えた変形を受けない程度に小さく設定することが望ましい。第５実施形態では、アーマチュア２２のＸ方向とＹ方向に対する衝撃対策を考慮しているが、Ｚ方向に対する衝撃対策を施すことも可能である。しかし、通常はＺ方向の衝撃に対してアーマチュア２２が相対的にギャップＧ１〜Ｇ４（図５）の大きさだけ変位したとしてもバネ部材７４、７５が弾性範囲を超えないように設計される。従って、Ｚ方向に対する衝撃対策用のプロテクタは設けなくてもよい。なお、プロテクタ７０〜７３に関し、変形に対する強度、及びヨーク５０、５１との間の溶接強度は、耐衝撃性に求められる設計値を満たすように設計する必要がある。

また、第５実施形態においては、上述の衝撃対策に関連して、バネ部材７４、７５の構造が第１〜第４実施形態のバネ部材２３、２４とは異なっている。すなわち、第５実施形態のバネ部材７４、７５は、それぞれの基端部がバネベース７６、７７に固定されている。これらのバネベース７６、７７は、第１〜第４実施形態のバネ部材２３、２４の先端部２３ｂ、２４ｂに相当する部分に設けられ、下部のヨーク５０とプロテクタ７０〜７３に接する位置に配置されている。ここで、図２０には、バネ部材７４及びそれに付随するバネベース７６の構造を拡大して示している。図２０に示すように、バネベース７６は、平面視でコの字状の断面形状を有し、部分的にバネ部材７４の基端部に挟まれる状態で固定されている。

以上のように、第１〜第５実施形態に基づいて、本発明に係る電気機械変換器及び電気音響変換器について説明したが、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことができる。例えば、本発明に係る電気機械変換器は、使用者の耳甲介腔に装用する補聴器に適用することができる。これにより、電気機械変換器の振動自体とそのハウジングの振動によって発生した音の両方を伝達手段として機能させ、使用者の耳に音を伝達することができる。このような電気機械変換器を、例えば、耳甲介腔に装用する補聴器に適用する場合、ハウジング１０の外形形状を耳甲介腔装用に適した形状とすることが望ましい。

１０、６０…ハウジング
１１、１２、３０、４０、４１、４２、４３、５０、５１…ヨーク
１３、３１…コイル
１３ａ…リード線
１４、１５、１６、１７、３３、３４、４４、４５…磁石
１８、１９、２０、２１…スペーサ
２２、３２…アーマチュア
２３、２４、７４、７５…バネ部材
２５…電気端子
６１、６２…ロッド
６３…音口
６４…振動板組立部
６４ａ…振動板
６４ｂ…コルゲーション
６４ｃ…枠部
６５…接着剤
７０、７１、７２、７３…プロテクタ
７６、７７…バネベース
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４…ギャップ

Claims (6)

1. 電気信号を機械振動に変換する電気機械変換器において、
   少なくとも１対の磁石と、前記磁石による磁束を導くヨークと、前記電気信号が供給されるコイルとを一体的に配置した構造部と、
   前記構造部の内部空間を貫く内側部と、前記内側部から両側に突出した第１の外側部及び第２の外側部とを有し、前記内側部のうち互いに逆向きの前記磁束が導かれる２つの領域を介して前記構造部と磁気回路を構成し、前記構造部に対して前記２つの領域における前記磁束の向きに平行に変位するアーマチュアと、
   前記２つの領域と前記構造部の間に形成されるそれぞれのギャップと、
   前記アーマチュアの前記第１の外側部と前記構造部との間を結合する第１の弾性部材と、
   前記アーマチュアの前記第２の外側部と前記構造部との間を結合する第２の弾性部材と、
   を備え、
   前記アーマチュアの変位による前記それぞれのギャップの大きさに応じて前記磁石による磁束が変化することを特徴とする電気機械変換器。
2. 前記第１及び第２の弾性部材は、１対のバネ部材であることを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換器。
3. 前記構造部、前記アーマチュア、前記第１及び第２の弾性部材の全体を収容するハウジングを更に備え、
   前記アーマチュアの前記第１及び第２の外側部のそれぞれの端部が前記ハウジングに固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気機械変換器。
4. 前記少なくとも１対の磁石は、前記アーマチュアの前記２つの領域において、それぞれギャップを介して対向する２対の磁石であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電気機械変換器。
5. 前記構造部のうち前記アーマチュアの前記第１及び第２の外側部の近傍に、前記構造部に対する前記アーマチュアの可動範囲を制限するプロテクタを設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電気機械変換器。
6. 電気信号を音響に変換する電気音響変換器において、
   少なくとも１対の磁石と、前記磁石による磁束を導くヨークと、前記電気信号が供給されるコイルとを一体的に配置した構造部と、
   前記構造部の内部空間を貫く内側部と、前記内側部から両側に突出した第１の外側部及び第２の外側部とを有し、前記内側部のうち互いに逆向きの前記磁束が導かれる２つの領域を介して前記構造部と磁気回路を構成し、前記構造部に対して前記２つの領域における前記磁束の向きに平行に変位するアーマチュアと、
   前記２つの領域と前記構造部の間に形成されるそれぞれのギャップと、
   前記アーマチュアの前記第１の外側部と前記構造部との間を結合する第１の弾性部材と、
   前記アーマチュアの前記第２の外側部と前記構造部との間を結合する第２の弾性部材と、
   それぞれ一端が前記第１及び第２の外側部に各端部に固定された１対のロッドと、
   前記１対のロッドのそれぞれの他端に接続され、前記構造部に対する前記アーマチュアの振動に応じて音圧を発生する振動板と、
   を備え、
   前記アーマチュアの変位に応じて前記磁石による磁束が変化することを特徴とする電気音響変換器。