JP6625896B2 - 電気機械変換器 - 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に関するものである。

補聴器等に用いられる電気機械変換器は、アーマチュア、ヨーク、コイル、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機械振動に変換するように構成される。所謂バランスド・アーマチュア型の電磁型変換器は、アーマチュアを用いた磁気回路が構成され、アーマチュア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より大きくなるように構成される。例えば、特許文献１には、アーマチュアの設計に際しての磁気的な要求と機械的な要求の両方を満たすことが可能な電気機械変換器として、平板状のアーマチュアと、このアーマチュアに復元力を付与する２つの弾性機構（バネ部材）とを具備し、各々の弾性機構の係合部がアーマチュアの外側部に係合する構造が提案されている。このような構造を有する電気機械変換器により、アーマチュアの設計制約を減らすとともに、耐衝撃度の向上と小型高出力化が可能となる。

特開２０１５−１５４４０２号公報

特許文献１に開示された電気機械変換器は、アーマチュアの外側部を弾性機構の係合部に係合させる構造を有するので、コイルに電流が流れないときに磁石、ヨーク、コイル等からなる構造部の内部空間の所定位置にアーマチュアを位置決めすることができる。しかし、このような構造を採用すると、アーマチュアと弾性機構のそれぞれに対し、両者を係合させるための高精度で微細な加工が要求されることになる。よって、電気機械変換器の低コスト化が困難となり、構成部品の小型化にも適していない。

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、弾性部材により復元力を付与されるアーマチュアを確実に位置決めしつつ、簡単な加工により低コスト化と小型化に適した電気機械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において、少なくとも２対の磁石（１４）と、前記磁石による磁束を導くヨーク（１０）と、前記電気信号が供給されるコイル（１１）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平板状の部材からなり、互いに逆向きの前記磁束が導かれる２つの領域が前記平板状の部材の第１の方向（Ｘ）に対向して配置され、前記２つの領域を介して前記構造部と磁気回路を構成し、前記磁気回路の磁気力に基づく変位方向（Ｚ）に変位するアーマチュア（１２）と、前記アーマチュアに対して前記変位方向の両側にそれぞれ配置され、前記アーマチュアの前記構造部に対する相対的変位に応じた復元力を前記アーマチュアに付与する１対の弾性部材（１３）とを備えて構成され、前記アーマチュアの両側の表面のうち前記２つの領域に面する各々の位置に、前記２対の磁石にそれぞれ対向する２対の平板状のポールピース（１５）が取り付けられていることを特徴としている。

本発明の電気機械変換器によれば、構造部の内部空間を貫くアーマチュアは、両側の表面の２つの領域に取り付けられたポールピースと磁石が対向する部分に磁束が集中するため、この位置に位置決めされることとなり、コイルに電流を流したときの磁気力によりアーマチュアが相対的に変位し、アーマチュアに接触する１対の弾性部材を介してアーマチュアの変位に応じた復元力が作用する。よって、設計上の自由度を高めたアーマチュアを用いつつ、アーマチュアと１対の弾性部材を係合させるための高精度で微細な加工が不要となり、低コスト化と小型化に適した電気機械変換器を実現可能となる。

本発明のポールピースは、前記２つの領域を介して対向する磁石と変位方向から見て同一の形状として形成することができる。これにより、アーマチュアは、変位方向から見てポールピースと磁石が重なる位置に安定的に位置決めすることができる。この場合、ポールピースの表面にそれぞれポールピース側磁石を設け、このポールピース側磁石を、変位方向から見て磁石と同一の形状として形成してもよい。

本発明の１対の弾性部材の各々として、アーマチュアの第１の方向の両側に接触して復元力を付与する１対の接触部と、ヨークの端部に固定される１対の固定部とを有するバネ部材を用いることができる。これにより、アーマチュアと１対の弾性部材を係合させることなく、アーマチュアに対してバネ部材の１対の接触部を介して確実に復元力を付与することができる。この場合、１対のバネ部材の各々は、ヨークを取り囲む開口部を有し、ヨークの一部が開口部から変位方向に突出する構造とすることが望ましい。このような構造により、電気機械変換器を取り扱う際にバネ部材に外力が加わることによる位置ずれ等を回避することができる。また、１対の固定部は、ヨークのうち、開口部を挟んで第１の方向及び変位方向に直交する第２の方向の両側に位置する突出部にそれぞれ固定することができる。

本発明によれば、平板状のアーマチュアのうち磁石と対向する位置にポールピースを取り付けたので、アーマチュアに復元力を付与する１対の弾性部材をアーマチュアに係合させることなく確実にアーマチュアの位置決めを行うことができ、高精度で微細な加工が不要となり、電気機械変換器の低コスト化及び小型化を実現することができる。

本実施形態の電気機械変換器における駆動部をＺ方向の一方から見たときの上面図である。 図１の電気機械変換器における駆動部をＹ方向の一方から見たときの正面図である。 図１の電気機械変換器における駆動部をＸ方向の一方から見たときの側面図である。 本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。 バネ部材の全体構造を示す斜視図である。 本実施形態の電気機械変換器の構成要素のうち、ヨーク、コイル、アーマチュア、４個のポールピース、４個の磁石のみの部分的な断面構造を示す図である。 磁石とポールピースとの間に作用する磁力線を模式的に表した図である。 図６の断面構造の変形例を示す図である。 図２に示す構造の電気機械変換器における駆動部と、その全体を収容するハウジングを取り外した状態の構造を示す図である。 本実施形態の電気機械変換器の全体を収容するハウジングが一体化された状態の構造を示す図である。

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に対して本発明を適用した実施形態について説明する。

以下、図１〜図４を参照して、本実施形態の電気機械変換器の基本構造について説明する。図１〜図３では、互いに直交するＸ方向（本発明の第１の方向）、Ｙ方向（本発明の第２の方向）、Ｚ方向（本発明の変位方向）をそれぞれ矢印にて示している。本実施形態の電気機械変換器は、上、下、左、右の方向性を持たないが、以下では説明の便宜のため、各図面内（紙面）の方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に応じて、上、下、左、右の方向を記載する場合がある。

図１は、本実施形態の電気機械変換器をＺ方向の一方から見たときの上面図であり、図２は、図１の電気機械変換器をＹ方向の一方から見たときの正面図であり、図３は、図１の電気機械変換器をＸ方向の一方から見たときの側面図である。また、図４は、本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１〜図４に示すように、本実施形態の電気機械変換器のうちの駆動部は、１対のヨーク１０（１０ａ、１０ｂ）と、コイル１１と、アーマチュア１２と、１対のバネ部材１３（１３ａ、１３ｂ）と、２対（４個）の磁石１４と、２対（４個）のポールピース（磁極片）１５とを含んで構成される。この駆動部のうち、１対のヨーク１０、コイル１１、４個の磁石１４は、一体的に配置された本発明の構造部として機能する。すなわち、この構造部の内部空間を貫くアーマチュア１２が１対のバネ部材１３を介して構造部に対し可動となるように配置されている。なお、図１〜図４では示されないが、本実施形態の電気機械変換器の全体は一体的に後述のハウジング２０（図９及び図１０）に収容されている。

１対のヨーク１０は、上部のヨーク１０ａと下部のヨーク１０ｂがＺ方向に対向配置された状態で、例えば溶接により一体的に固定される。図４に示すように、上下のヨーク１０ａ、１０ｂの内面側の中央に挟まれるように空芯のコイル１１が配置されている。コイル１１にはＸ方向の両端に開口する貫通孔が形成されるとともに、Ｙ方向の両端に１対の電極１１ａ（図１及び図２参照）が設けられ、コイル１１が電気的に接続されている。コイル１１は、ヨーク１０ａ、１０ｂの内面側と接着剤で固定されている。ヨーク１０ａ、１０ｂの材料としては、例えば、４５％Ｎｉのパーマロイ等の軟磁性材料を用いることができる。

ヨーク１０ａ、１０ｂの内面側のＸ方向の両端部には、４個の板状の磁石１４が対称的に配置されている。すなわち、ヨーク１０ａ、１０ｂのＸ方向の一端で上下に対向する１対の磁石１４と、ヨーク１０ａ、１０ｂのＸ方向の他端で上下に対向する１対の磁石１４は、いずれも上下に所定の距離を置いた状態でヨーク１０ａ、１０ｂの内面側にそれぞれ接着固定されている。

アーマチュア１２は、Ｘ方向に長尺の平板状部材であり、Ｘ方向の一端の１対の磁石１４の間の空間と、コイル１１の貫通孔と、Ｘ方向の他端の１対の磁石１４の間の空間をそれぞれ貫くように配置されている。図４に示すように、アーマチュア１２の上下の面には、４個の磁石１４と対向する位置に４個のポールピース１５が取り付けられている。アーマチュア１２は、ヨーク１０ａ、１０ｂ、４個の磁石１４、４個のポールピース１５、コイル１１とともに磁気回路を構成する。各々のポールピース１５は、Ｚ方向から見た形状が各々の磁石１４と同形状である。アーマチュア１２及び４個のポールピース１５の材料としては、ヨーク１０ａ、１０ｂと同様、例えば、４５％Ｎｉのパーマロイ等の軟磁性材料を用いることができる。

アーマチュア１２をコイル１１の貫通孔に挿入した状態で、４個の磁石１４と４個のポールピース１５の間には平行な隙間が形成されており、それぞれの隙間がエアギャップ１６（図６）を構成する。各々のエアギャップ１６は、アーマチュア１２が、その通常動作の範囲内でＺ方向に変位したとき、コイル１１及び磁石１４と接触しない程度の適当な隙間となっている。

１対のバネ部材１３（本発明の１対の弾性部材）は、開口部を有する板状部材を折り曲げ加工して形成された板バネであり、一方のバネ部材１３ａがアーマチュア１２の上側に配置されるとともに、他方のバネ部材１３ｂがアーマチュア１２の下側に配置されている。ここで、図５には、１つのバネ部材１３（１３ａ又は１３ｂ）の全体構造を斜視図で示している。上下のバネ部材１３ａ、１３ｂはアーマチュア１２を挟んでＺ方向に対称な構造を有するので、両者に対して図５は同様の構造として考えればよい。

図５において、バネ部材１３は概ね一定の幅Ｗ及び厚さＴを有し、中央の四角形状の開口部Ａを取り囲む板状の部材により形成される。バネ部材１３の１対の固定部Ｐ１は、各々のヨーク１０の中央でＹ方向に突出する両側の突出部と、例えばレーザ溶接により固定される。また、バネ部材１３の１対の接触部Ｐ２は、アーマチュア１２のＸ方向の両端部に接触して上下方向から押圧する部分である。よって、バネ部材１３は、１対の固定部Ｐ１の位置から１対の接触部Ｐ２の位置に至るまでに、アーマチュア１２に向かってＺ方向に屈曲する形状を有している。１対のバネ部材１３の役割は、アーマチュア１２が磁気回路内で構造部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する復元力をアーマチュア１２に与えることにある。本実施形態のバネ部材１３は１対の接触部Ｐ２でアーマチュア１２に接触するのみであり、バネ部材１３とアーマチュア１２とを互いに係合するための構造は設けられていない。

なお、バネ部材１３の寸法パラメータや細部の構造については、多様な設計が可能である。例えば、バネ部材１３の幅Ｗ、厚さＴ、Ｘ方向及びＹ方向の長さ、開口部Ａのサイズについては、バネ部材１３の１対の固定部Ｐ１及び１対の接触部Ｐ２が機能を発揮し、かつアーマチュア１２に与える復元力が得られる限り、多様な寸法形状を採用することができる。この場合、これらの寸法パラメータは、アーマチュア１２に付与すべき復元力に応じたバネ定数を得られるように設計する必要がある。また、バネ部材１３の開口部Ａを設けることにより、本実施形態の電気機械変換器を取り扱う際、バネ部材１３の開口部Ａにおけるヨーク１０の上下面を利用することができるので、バネ部材１３に外力が加わることによる位置ずれ等を回避することができる。なお、バネ部材１３の材質としては、例えば、ステンレス鋼材（ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０４）などを用いることができる。

ここで、図示を省略しているが、バネ部材１３はＺ方向に若干押圧された状態でヨーク１０に固定される。すなわち、図２に示すように、アーマチュア１２が１対のバネ部材１３によってＺ方向から常に挟まれる状態になる。その状態におけるアーマチュア１２の釣り合いの位置は、アーマチュア１２及び２つのポールピース１５を介してＺ方向で対向する２つの磁石１４から見たときに、Ｚ方向において、その対向面から等距離にあることが望ましい。

次に、本実施形態の電気機械変換器の基本的な動作に関連し、アーマチュア１２に取り付けられた４個のポールピース１５及び４個の磁石１４が対向する部分の構造と作用について説明する。図６は、本実施形態の電気機械変換器の構成要素のうち、ヨーク１０、コイル１１、アーマチュア１２、４個のポールピース１５、４個の磁石１４に着目し、これらの構成要素のみの部分的な断面構造を示しており、図６（Ａ）が図２と同方向から見たときのＸＺ断面構造図であり、図６（Ｂ）が図３と同方向から見たときのＹＺ断面構造図である。

図６（Ａ）に示すように、アーマチュア１２のＸ方向の２つの位置には、それらの位置でのＺ方向からアーマチュア１２を挟むようにそれぞれ２個ずつ（計４個）のポールピース１５が配置される。また、それぞれのポールピース１５は、Ｚ方向についてアーマチュア１２の反対側の磁石１４と対向している。ここで、ポールピース１５と磁石１４のそれぞれのＸ方向における長さＸａは同寸法である。そして、それぞれのポールピース１５と磁石１４の間に、前述のエアギャップ１６が形成される。また、図６（Ｂ）に示すように、アーマチュア１２をＺ方向で挟む２個のポールピース１５のＹ方向における長さと、さらにその２個のポールピース１５をＺ方向で挟む２個の磁石１４のＹ方向における長さが、いずれもアーマチュア１２のＹ方向の長さＹａと同寸法となっている。なお、他方の２個のポールピース１５と２個の磁石１４においても同様である。つまり、４個のポールピース１５と４個の磁石１４は、Ｘ方向の共通の長さＸａとＹ方向の共通の長さＹａで形成され、必然的にそれぞれのエアギャップ１６についてもＸＹ面においてそれぞれの共通の長さＸａ、Ｙａを有する空間となる。

ここで、Ｚ方向に関して、ポールピース１５の厚さＴａと、磁石１４の厚さＴｂと、エアギャップ１６の厚さＧはいずれも異なる寸法である。このうち、ポールピース１５の厚さＴａは、磁石１４の厚さＴｂ及びエアギャップ１６の厚さＧに比べて大きく設定されている。なお、ポールピース１５の厚さＴａと、磁石１４の厚さＴｂと、エアギャップ１６の厚さＧは所望の条件を満たすように設定されるので、特に限定されるものではない。

図６において、コイル１１に電流を流すとアーマチュア１２に磁束が発生し、アーマチュア１２が構造部に対してＺ方向に変位する。この場合、図６（Ａ）において、左側の磁石１４と右側の磁石１４は互いに逆向きに着磁されており、それぞれの磁石１４とＺ方向に重なる領域は互いに逆向きの磁束が導かれる２つの領域に相当する。このような磁気回路については、例えば、従来の特許文献１の構造と同様である。しかし、特許文献１の構造には、ポールピース１５に相当する部材が設けられていないため、アーマチュアの外側部をバネ部材の係合部に係合させる構造を採用し、構造部とアーマチュア１２の位置決めを行っている。これに対し、本実施形態では、位置決めの手段として、磁石１４と同寸法のポールピース１５を対向して配置することで、後述する作用を利用することにより、アーマチュア１２とバネ部材１３が接触部Ｐ２で接触しているだけであって互いに係合してない。

ここで、図７には、磁石１４とポールピース１５との間に作用する磁力線Ｍを模式的に表している。図７に示す磁力線Ｍは、マックスウェルの応力に基づき、磁石１４とポールピース１５の間に生ずる磁場のエネルギーが極小となるように磁力線Ｍの方向に縮もうとする力が働く。よって、磁石１４とポールピース１５が平面視で重なる位置から、例えば、ポールピース１５がＸ方向のいずれかの太い矢印方向に向かって動こうとすると、磁力線Ｍを伸ばすことになるので、それに抵抗する力が働き、アーマチュア１２が位置決めされることになる。これは、Ｙ方向への動きの場合も同様である。

図８は、図６の断面構造の変形例を示している。図８に示すように、ポールピース１５の表面に、さらにポールピース側磁石１７を設けて磁石１４と対向させる構造を採用してもよい。図８の変形例を採用することで、軟磁性材料のポールピース１５に比べ、エアギャップ１６に磁力線が集中するため、マックスウェルの応力によるアーマチュア１２の位置決めの効果が顕著になる。

次に、図９及び図１０を用いて、本実施形態の電気機械変換器の全体を収容するハウジング２０について説明する。本実施形態の電気機械変換器において、各ポールピース１５を含むアーマチュア１２の部分に対し、それ以外のヨーク１０、コイル１１、磁石１４からなる部分（本発明の構造部）は、コイル１１への電気信号の印加時に流れる電流に応じた駆動力により、アーマチュア１２との間で相対振動が生じる。そのため、アーマチュア１２の両端をハウジング２０と十分な剛性をもって固定することにより、アーマチュア１２と構造部との間に発生した駆動力をハウジング２０に伝達し、それによりハウジング２０に振動を生じさせるものである。

図９は、図２に示す構造の駆動部と、その全体を収容するハウジング２０を取り外した状態の構造を示している。また、図１０は、電気機械変換器の全体を収容するハウジング２０が一体化された状態の構造を示している。図９においては、図２と同じ方向から見た電気機械変換器と、上下に配置された上部のハウジング部材２０ａと下部のハウジング部材２０ｂとが示される。上部のハウジング部材２０ａと下部のハウジング部材２０ｂは、各辺の凹凸が互いに嵌合する形状に形成され、両者を接着剤等で固定することにより、図１０に示すように、電気機械変換器を収容する一体的なハウジング２０となる。ハウジング２０は、駆動部を支持し得る強度を確保することを前提に、例えば、プラスチック材料又はステンレス等の金属材料を用いて形成することができる。

図９及び図１０に示すように、下部のハウジング部材２０ｂの側面には、基板２１が取り付けられ、この基板２１の表面に、前述のコイル１１の１対の電極１１ａと電気的に接続される１対の電極２２が設けられる。よって、コイル１１の各電極１１ａから延出される配線（不図示）がハウジング部材２０ａの開口を介して各電極２２に接続される。また、電気機械変換器の耐衝撃性を確保するため、上下のハウジング部材２０ａ、２０ｂの内面には、内側に突出する複数のストッパー（不図示）を設け、ヨーク１０等の駆動部の可動範囲を制限する構造とすることが望ましい。

また、図９に示すように、上下のハウジング部材２０ａ、２０ｂのＸ方向の長さは、アーマチュア１２の長手方向の長さに一致する。そして、アーマチュア１２の両端の部分が上下のハウジング部材２０ａ、２０ｂに挟まれた状態で接着剤等により固定される。なお、ハウジング２０は、アーマチュア１２の両端を除いて、駆動部と接触しない構造となっている。アーマチュア１２とハウジング２０との結合部分は、駆動部で発生した振動がハウジング２０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。

以上説明したように、本実施形態の構造を採用することにより、平板状のアーマチュア１２とその上下のバネ部材１３とを係合させる構造を設けることなく、アーマチュア１２の安定的な位置決めができるので、アーマチュア１２とバネ部材１３に対する高精度で微細な加工が不要となり、電気機械変換器の低コスト化と小型化の面でメリットがある。また、バネ部材１３をヨーク１０の側面に設ける構造を有するので、製造工程等において開口部Ａより突出したヨーク１０の上下面を利用して、バネ部材１３に外力が加わることによる位置ずれ等を回避することができる。なお、本実施形態において、平板状のアーマチュア１２及び１対のバネ部材１３を用いる構造に基づき、従来のＵ字型のアーマチュアに比べた場合のアーマチュア１２の設計の自由度の確保と耐衝撃性の向上については、特許文献１の構造と同様の効果を得ることができる。

以上、本実施形態に基づいて本発明に係る電気機械変換器について説明したが、本発明は上述の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、本実施形態においては、磁石１４とポールピース１５がＸ方向及びＹ方向でほぼ同形状である場合を説明したが、大部分の形状範囲で両者が対向するように配置されていれば、同形状には限られない。また、本実施形態においては、図５の構造を有するバネ部材１３を用いる場合を説明したが、図５の固定部Ｐ１及び接触部Ｐ２に基づく機能を有していれば、異なる構造のバネ部材を用いてもよい。

また、本発明に係る電気機械変換器は、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に対して適用することも可能である。さらに、本発明に係る電気機械変換器は、例えば、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２０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…ヨーク
１１…コイル
１２…アーマチュア
１３…バネ部材
１４…磁石
１５…ポールピース
１６…エアギャップ
１７…ポールピース側磁石
２０…ハウジング

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２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平板状の部材からなり、互いに逆向きの前記磁束が導かれる２つの領域が前記平板状の部材の第１の方向に対向して配置され、前記２つの領域を介して前記構造部と磁気回路を構成し、前記磁気回路の磁気力に基づく変位方向に変位するアーマチュアと、
   前記アーマチュアに対して前記変位方向の両側にそれぞれ配置され、前記アーマチュアの前記構造部に対する相対的変位に応じた復元力を前記アーマチュアに付与する１対の弾性部材と、
   を備え、
   前記アーマチュアの両側の表面のうち前記２つの領域に面する各々の位置に、前記２対の磁石にそれぞれ対向する２対の平板状のポールピースが取り付けられていることを特徴とする電気機械変換器。
2. 前記ポールピースは、前記２つの領域を介して対向する前記磁石と前記変位方向から見て同一の形状を有す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. 前記ポールピースの表面にそれぞれポールピース側磁石を設け、前記ポールピース側磁石は前記変位方向から見て前記磁石と同一の形状を有することを特徴とする請求項２に記載の電気機械変換器。
4. 前記１対の弾性部材の各々は、前記アーマチュアの前記第１の方向の両側で前記変位方向の両面に接触して前記復元力を付与する接触部と、前記ヨークの一部に固定される固定部とを有する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。
5. 前記１対のバネ部材の各々は、前記ヨークを取り囲む開口部を有し、前記ヨークの一部が前記開口部から前記変位方向に突出していることを特徴とする請求項４に記載の電気機械変換器。
6. 前記固定部は、前記ヨークのうち、前記開口部を挟んで前記第１の方向及び前記変位方向に直交する第２の方向の両側に位置する突出部にそれぞれ固定されることを特徴とする請求項５に記載の電気機械変換器。
   

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