專利名稱：揚(yáng)聲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于便攜式電子裝置例如移動電話、個人數(shù)字助理(PDA)和便攜式計算機(jī)的揚(yáng)聲器系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生低頻信號或振動信號和較高的聲頻信號或可聽信號的方法和系統(tǒng)。此外，本發(fā)明涉及一種由基于壓電材料的致動器驅(qū)動的這種系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在移動通信和數(shù)據(jù)處理設(shè)備中，大多數(shù)由電磁致動器驅(qū)動的系統(tǒng)進(jìn)行操作來產(chǎn)生可聽的聲音、蜂音或振動。
聲音通常由音圈驅(qū)動的揚(yáng)聲器產(chǎn)生，盡管這樣產(chǎn)生的聲音較小，但是已經(jīng)研發(fā)了許多相當(dāng)廉價的且有效的結(jié)構(gòu)用于提供信號單元，從而為這些裝置產(chǎn)生所需的聲音或振動。其中包括用于產(chǎn)生可感知的振動的具有不平衡轉(zhuǎn)子的微型電機(jī)；用于在音頻下振動并產(chǎn)生聲音或蜂音(嗡嗡聲)的小型壓電裝置；以及其它的舊的技術(shù)，例如具有用于驅(qū)動膜片或其它發(fā)聲元件的電磁音圈或者磁螺線管的揚(yáng)聲器，用于產(chǎn)生聲音例如音頻聲音或振動蜂音。當(dāng)前許多移動電話使用單獨(dú)的元件產(chǎn)生振動提示信號、聲音提示信號和語音或音樂再現(xiàn)。
此外，希望大多數(shù)便攜式裝置具有“免提”方式，即使得用戶不必用手便能進(jìn)行通信的方式。為了以免提方式操作便攜式電話，需要在通常稱為語音帶的300-3400Hz的頻率范圍內(nèi)的大功率輸出。目前市場上可得到的具有免提方式的產(chǎn)品都是通過普通的電動或動圈揚(yáng)聲器實現(xiàn)的。
在Audio Engiheering Society(AES)為AES 108次會議(2000年2月19-22日，巴黎)準(zhǔn)備的預(yù)印本(預(yù)印本號5160)中，Bright等人詳細(xì)說明了關(guān)于任何試圖使用一個元件進(jìn)行振動提示、聲音提示和語音或音樂再現(xiàn)的問題。作者根據(jù)普通的電動揚(yáng)聲器或音圈系統(tǒng)對這種裝置提出了建議。
提出了最多壓電提示裝置，用于產(chǎn)生振動或非可聽的提示，或音頻振動，并因而構(gòu)成揚(yáng)聲器。這種裝置的例子在美國專利5514927，5368456，6078126和6169206中描述了。
由上述可見，本發(fā)明的目的在于提供一種用于電子裝置特別是便攜式電子裝置例如移動電話的揚(yáng)聲器，其體積小、重量輕，能夠提供足夠的聲音用于免提操作，但是如果靠近耳朵，不會對聽者造成聲音危害。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種在空間和能量上高效的裝置和方法，用于產(chǎn)生觸覺的或振動的提示和可聽的聲音。

發(fā)明內(nèi)容
因而，在第一方面，本發(fā)明提供一種用于可攜帶的電子裝置例如移動電話的揚(yáng)聲器，其包括支撐結(jié)構(gòu)，在其上安裝有電激活致動器，所述致動器又和所述裝置的殼體一個大面積部分相連，所述殼體的部分作為揚(yáng)聲器的聲音產(chǎn)生元件。
本發(fā)明的揚(yáng)聲器具有若干個優(yōu)點(diǎn)。首先，揚(yáng)聲器的聲音產(chǎn)生元件(例如膜片)可以是所需的殼體的一個大的部分，提供大的面積用于發(fā)射聲音。這使得能夠在低頻下產(chǎn)生高的聲壓級(SPL)。第二，聲音產(chǎn)生元件的面積比耳道開口的面積大得多，即大于大約1厘米的寬度，使得當(dāng)使揚(yáng)聲器保持靠近耳朵時，能量密度不會高致?lián)p害聽者的耳朵。第三，因為聲音產(chǎn)生元件是殼體的一部分，不需要提供單獨(dú)的揚(yáng)聲器膜片，因而減少裝置的零件的數(shù)量。
所有的便攜式電子裝置都包括某種殼體。殼體一般是注塑模制的，形成一個薄而輕的結(jié)實的用于所述裝置的蓋。在本發(fā)明的揚(yáng)聲器中，殼體的一個大面積部分和殼體的其余部分分開，好像從殼體上切掉，以便用作揚(yáng)聲器的聲音產(chǎn)生元件。這種元件可以具有任何合適的形狀。例如可以是圓形、矩形或不規(guī)則形的，不過最好其形狀和裝置的殼體的輪廓一致。聲音產(chǎn)生元件可以形成一個連續(xù)的表面，或者可以包括孔或間隔，裝置的其它元件例如顯示器、鍵盤、照相機(jī)等通過所述的孔或間隔伸出。聲音產(chǎn)生元件可以是平的，不過最好是彎曲的或者是拱頂形的，以便改善其剛性。聲音產(chǎn)生元件確實可以由模制的殼體通過切割來制造，不過其最好是一個被單獨(dú)制造的形狀與殼體的適當(dāng)?shù)拈_口配合的元件。在后一種情況下，元件的材料和設(shè)計可以被優(yōu)化，例如根據(jù)質(zhì)量和剛性，以便作為聲音產(chǎn)生元件工作。
在聲音產(chǎn)生元件的邊緣和殼體的其余部分之間的間隙可以借助于柔順的密封材料或懸掛的元件密封，如常規(guī)的揚(yáng)聲器那樣。這種密封元件用于防止向后發(fā)出的聲音干擾向前發(fā)出的聲音，并阻止污物的進(jìn)入。不過，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，沒有提供這種密封。這個間隙被設(shè)計成充分小，小于2mm，小于0.5mm更好。具有這種小的間隙，聲音干擾可以忽略，并且進(jìn)入的污物最少。一種沒有密封的揚(yáng)聲器是新穎的，其本身便是一項發(fā)明。
在本發(fā)明的第二方面，提供一種揚(yáng)聲器，包括固定部件，致動器和聲音產(chǎn)生元件，其中在所述聲音產(chǎn)生元件和所述固定部件之間的間隙完全小于2mm，在間隙沒有密封或懸掛元件。
在本發(fā)明的第二方面的優(yōu)選實施例中，沿著并圍繞聲音產(chǎn)生元件的邊緣提供垂直的(或者接近垂直的)唇緣，所述唇緣從聲音產(chǎn)生元件的邊緣向內(nèi)伸入裝置。唇緣的長度和在工作期間元件的最大位移同一個數(shù)量級，或者大于所述最大位移，使得其作為聲音障板，提供足夠的聲阻，并借以進(jìn)一步減少來自向后方發(fā)射聲的干擾。在另一個實施例中，圍繞著固定部件的包圍邊緣提供有相應(yīng)的相鄰的唇緣，用于提供更大的聲阻。
按照本發(fā)明第一方面的聲音產(chǎn)生元件是殼體的一部分，即其在裝置的外表面上。作為另一種方案，任何在裝置內(nèi)的大面積元件都可以用作揚(yáng)聲器的聲音產(chǎn)生元件。例如，在移動電話中，內(nèi)部的大面積元件包括印刷電路板、電池、電池殼體和鍵盤。這些中的任何一個都可以和電激活的致動器相連，從而提供揚(yáng)聲器。其優(yōu)點(diǎn)在于，不需要提供單獨(dú)的揚(yáng)聲器膜片，從而節(jié)省空間。為了使聲音能夠在外部聽到，在殼體內(nèi)提供合適的端口或孔，如同常規(guī)的移動電話的揚(yáng)聲器那樣。使用現(xiàn)有的內(nèi)部元件作為聲音產(chǎn)生元件這本身便是新穎的因而有創(chuàng)造性。
因此，在本發(fā)明的第三方面中，提供一種用于可攜帶的電子裝置的揚(yáng)聲器，其中便攜式電子裝置的一個內(nèi)部大面積功能元件是揚(yáng)聲器的聲音產(chǎn)生元件。
揚(yáng)聲器的聲音產(chǎn)生元件和電激活的致動器相連。電激活的材料是響應(yīng)電場而改變形狀的材料(或者相反，當(dāng)被機(jī)械致動時，產(chǎn)生電場)。電激活材料包括壓電材料，其在被電場激勵時膨脹或收縮，以及電致伸縮材料，其在電場內(nèi)收縮。其中的例子有壓電陶瓷例如PZT(鉛的鋯酸鹽，鈦酸鹽)、壓電聚合物例如PVDF(聚偏二已烯氟化物)和電致伸縮陶瓷例如PMNT?；镜碾娂せ钚?yīng)是非常小的，對于厘米尺寸的塊狀電激活材料，當(dāng)被電激活時，一般其位移不大于幾分之一微米。因而，本發(fā)明的揚(yáng)聲器的致動器不是簡單的決狀電激活材料，而是能夠產(chǎn)生至少10微米的運(yùn)動的電激活和電極材料構(gòu)成的一種結(jié)構(gòu)。
這種電激活致動器可以具有已知的結(jié)構(gòu)，例如壓電致動器疊或一個或幾個彎曲物。不過，最好致動器是被稱“HELIMORPH”(TM)致動器的類型，例如在公開的國際專利申請WO-01/47041(PCT/GB00/04949)和WO-01/47318(PCT/GB00/04953)所述的，或者是堆疊的向后彎曲的彎曲物型的，如我們的未決的英國專利申請0114655.4中所述的用于揚(yáng)聲器中的那種，該專利文件被包括在此作為參考。這種致動器從一個具有20mm或更小的數(shù)量級的尺寸(通常至少一個維度只有幾毫米)的小型裝置中提供100微米或更多的位移。也可以使用其它的致動器，如下面參考絞鏈連接的聲音產(chǎn)生元件所述的。
電激活致動器的一端和聲音產(chǎn)生元件相連，而另一端被固定，使得當(dāng)被電信號激勵時，致動器的兩端彼此相對位移。因為聲音產(chǎn)生元件比固定部件更自由地運(yùn)動，所以致動使得聲音產(chǎn)生元件優(yōu)先運(yùn)動。具體地說，音頻信號引起的致動引起聲音產(chǎn)生元件的振動，從而產(chǎn)生聲音。
致動器可以位于聲音產(chǎn)生元件的大約中心的部位，如同常規(guī)的揚(yáng)聲器中那樣。在常規(guī)的揚(yáng)聲器中，致動器通常是一個音圈式電磁致動器。這種致動器對于離開軸線的運(yùn)動非常敏感，因為電線圈沿著其作前后運(yùn)動的磁體中的間隙必須很小，以便維持足夠的磁場強(qiáng)度。不過，本發(fā)明的電激活致動器不被限制于精確地沿軸向運(yùn)動，這使得能夠把致動器設(shè)置成偏心的。這在揚(yáng)聲器被用于空間受限制的裝置中時是有利的，如像便攜式電子裝置例如移動電話、便攜式計算機(jī)和PDA的情況那樣，因為致動器可以位于任何方便的位置，而不僅僅位于中心。雖然偏心的致動器對于其中聲音產(chǎn)生元件以表面波方式工作的揚(yáng)聲器(也稱為“分布式”揚(yáng)聲器)是已知的，但是在聲音產(chǎn)生元件以活塞方式工作的揚(yáng)聲器中使用偏心致動器是新穎的，這本身便具有創(chuàng)造性。
因此，在本發(fā)明的第四方面中，提供一種以活塞方式工作的揚(yáng)聲器，其中致動器相對于聲音產(chǎn)生元件不位于中心。
如上所述，按照本發(fā)明的第一方面的揚(yáng)聲器包括一個致動器。雖然這形成本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，但是另一個可選實施例卻包括兩個或多個致動器。當(dāng)負(fù)載可以在致動器之間分布時，這是有利的，這因而使得每個致動器的功率不必太大。此外，聲音產(chǎn)生元件的相對大的面積在一個以上的位置被驅(qū)動，這允許其具有較小的剛性，或者可以由剛性較小的材料制成，從而具有較輕的重量。此外，使用一個以上的致動器可以改善平衡和穩(wěn)定性。幾個致動器，例如兩個致動器，可以使每個位于或者朝向聲音產(chǎn)生元件的一端，或者4個致動器，每個位于矩形聲音產(chǎn)生元件的角上，或者可以使用任何數(shù)量的被設(shè)置在任何位置的揚(yáng)聲器。使用幾個致動器驅(qū)動一個以活塞方式工作的聲音產(chǎn)生元件，這本身是新穎的和有創(chuàng)造性的。
因而，在本發(fā)明的第五方面中，提供一種揚(yáng)聲器，其中一個聲音產(chǎn)生元件由幾個致動器驅(qū)動。
按照本發(fā)明的第五方面的揚(yáng)聲器用于上述的電子裝置時是有利的。不過，用作其它應(yīng)用中的揚(yáng)聲器也是有利的。例如，在本發(fā)明的這個方面的一個實施例中，提供了一種低頻揚(yáng)聲器，通稱為低音揚(yáng)聲器，超低音揚(yáng)聲器或者次低音揚(yáng)聲器，包括被多個致動器驅(qū)動的大面積的面板。最好面板具有米乘米數(shù)量級的尺寸，致動器是HELIMORPH型的電激活致動器，并被排列在面板的后方。致動器的一端和面板的后方相連，另一端和不能運(yùn)動的固定部件相連。提供的致動器越多，則提供高的聲壓級所需的每個致動器的功率越小。因而，最好具有4個以上的致動器，可以具有10個或10個以上的致動器。
在本發(fā)明的另一個實施例中，在一個或幾個點(diǎn)通過彎曲部分轉(zhuǎn)動連接或絞接或安裝(以后通稱為絞接)聲音產(chǎn)生元件，并在一個或幾個點(diǎn)致動所述聲音產(chǎn)生元件。此時聲音產(chǎn)生元件的運(yùn)動不完全是活塞式的，即，在操作時，不是聲音產(chǎn)生元件的表面上的所有的點(diǎn)都移動相同的距離。絞接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，致動器可被設(shè)置并被安裝在聲音產(chǎn)生元件正下方的區(qū)域的外部，因為不需要平衡的驅(qū)動。此外，絞鏈提供非軸向穩(wěn)定性，而沒有沿驅(qū)動方向的不需要的剛性或阻力。
絞接的聲音產(chǎn)生元件最簡單的實施例是在一端被絞接而在另一端被致動的聲音產(chǎn)生元件。按照本發(fā)明的第一方面，聲音產(chǎn)生元件是殼體的一個大面積部分。在本實施例中，一個簡單的絞鏈，例如彈性材料制成的珠狀物或彎曲部分，使殼體和聲音產(chǎn)生元件的一端相連。在聲音產(chǎn)生元件的另一端，電激活致動器在其一端和聲音產(chǎn)生元件相連，在其另一端和一個固定部件相連，所述固定部件最好是殼體的內(nèi)表面。在工作時，致動器移動與其相連的聲音產(chǎn)生元件的一端，而聲音產(chǎn)生元件的接近絞鏈的另一端基本完全不運(yùn)動。所述的運(yùn)動相當(dāng)類似于手持的扇子的運(yùn)動，掃過的容積是一定角度的圓柱段。這種運(yùn)動包括圍繞平行于聲音產(chǎn)生元件的軸線的轉(zhuǎn)動要素。在另一個實施例中，沿著聲音產(chǎn)生元件的邊緣的直線提供相互分開的兩個或多個絞鏈，從而提供改進(jìn)的穩(wěn)定性。的確，其中聲音產(chǎn)生元件被絞接的揚(yáng)聲器的構(gòu)思本身是新穎的和具有創(chuàng)造性的。
因此，在本發(fā)明的第六方面，提供一種揚(yáng)聲器，其中聲音產(chǎn)生元件用于產(chǎn)生聲音的運(yùn)動包括圍繞平行于膜片的軸線的轉(zhuǎn)動。
在本發(fā)明的第六方面的一個優(yōu)選實施例中，由絞鏈、樞軸或彎曲物在一個或幾個點(diǎn)支撐著膜片。
在本發(fā)明的另一個實施例中，所述絞鏈被包括在聲音產(chǎn)生元件中作為一個整體的絞鏈。例如，當(dāng)聲音產(chǎn)生元件是給定厚度的塑料板時，可以提供一個或幾個較薄的區(qū)域作為絞鏈。在裝配時，把聲音產(chǎn)生元件固定在絞鏈的一端，使得在工作時在絞鏈的另一側(cè)上的材料作為聲音產(chǎn)生元件。這種聲音產(chǎn)生元件容易制造，例如借助于注塑模制。
本發(fā)明的第六方面的另一個優(yōu)選實施例涉及一種用于便攜式電子裝置例如移動電話中的揚(yáng)聲器，其中絞接的聲音產(chǎn)生元件是透明的，并且蓋住屏幕，或者蓋住屏幕和其周圍的殼體的一些面積。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于可以提供大面積的聲音產(chǎn)生元件，從而在低頻下產(chǎn)生高的聲壓級而不阻礙屏幕。在這種情況下，絞接的聲音產(chǎn)生元件尤其是有利的，因為致動器位于聲音產(chǎn)生元件的周邊，不在屏幕所在的中心位置。
在本發(fā)明的第六方面的另一個優(yōu)選實施例中，絞接的揚(yáng)聲器的聲音產(chǎn)生元件被提供在電子裝置例如計算機(jī)、移動電話、便攜式計算機(jī)或PDA的內(nèi)部。聲音產(chǎn)生元件是大面積的并且可以位于裝置的殼體的正下方，所述殼體包括在聲音產(chǎn)生元件的面積上方用于發(fā)放聲音的端口。
或者，所述絞接的聲音產(chǎn)生元件還可以更深地位于裝置的內(nèi)部，在殼體的選擇區(qū)域中具有在特定的方向引導(dǎo)聲音的端口。
此外，在這種裝置中可以具有一個以上的絞接的聲音產(chǎn)生元件。例如，可以具有兩個聲音產(chǎn)生元件，在裝置的每一端各有一個，它們由障板分開，并且在裝置的相應(yīng)的每一端在殼體內(nèi)具有端口，用于產(chǎn)生兩個單獨(dú)的聲音。這樣其可以產(chǎn)生立體聲。還可以對輸入信號以電子方式應(yīng)用與頭相關(guān)的傳遞函數(shù)(HRTF)，從而產(chǎn)生心理聲學(xué)的環(huán)繞聲。這可能是特別有利的，例如用于在便攜式計算機(jī)和PDA上觀看電影。
有利的是，通過把致動器設(shè)置在絞鏈部分的附近，或者借助于代替絞鏈部分，使得在聲音產(chǎn)生元件的遠(yuǎn)端產(chǎn)生大的位移只需要一個小的致動器位移。因而，可以隨著減少的位移而減少致動器的尺寸，從而可以得到比已有的裝置較小的結(jié)構(gòu)。
關(guān)于本發(fā)明的第六方面的這個實施例，致動器最好被制成圓柱形，其中除去沿著圓柱的縱軸延伸的一部分。這種致動器具有C形的橫截面，其一端安裝在支撐結(jié)構(gòu)上，另一端在最接近絞鏈的聲音產(chǎn)生元件的邊緣上施加力。
在絞接的聲音產(chǎn)生元件的上述實施例中，致動器被置于靠近聲音產(chǎn)生元件附近，或者靠近聲音產(chǎn)生元件的遠(yuǎn)端。不過，可以在聲音產(chǎn)生元件和致動器或致動器的作為杠桿延伸的部分之間沿著聲音產(chǎn)生元件的長度和寬度選擇任意的接觸點(diǎn)，只要這種聲音產(chǎn)生元件具有足夠的剛度來從接觸點(diǎn)向其其它的部分傳遞力因而傳遞運(yùn)動。
在本發(fā)明的第七方面中，上述的包括聲音產(chǎn)生元件、絞鏈部分和電激活致動器的裝置被安裝在一個框架元件上。所述框架元件又被柔性地固定在支撐結(jié)構(gòu)上。如上所述，所述支撐結(jié)構(gòu)可以是便攜裝置的殼體或外殼或者便攜裝置的內(nèi)部的一部分。
按照本發(fā)明的這個方面，可柔性安裝的框架和揚(yáng)聲器裝置一起構(gòu)成振蕩裝置。這有效地得到一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)可被認(rèn)為是具有兩個自由度的振動或振蕩系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可被模擬成具有兩個基本諧振頻率的由兩個質(zhì)量和兩個彈簧構(gòu)成的系統(tǒng)。在這個例子中，聲音產(chǎn)生元件是一個質(zhì)量，并且致動器和聲阻抗一道構(gòu)成相關(guān)的彈簧。聲音產(chǎn)生元件、致動器和框架的組合質(zhì)量是第二振蕩器的質(zhì)量。第二彈簧是可柔性安裝的框架。
這個元件的諧振頻率或各頻率可以用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的各種方法調(diào)整。例如，通過改變提供支撐結(jié)構(gòu)和框架之間的柔性連接的元件的剛性可以改變諧振頻率。或者，可以通過改變框架和安裝在框架上的揚(yáng)聲器系統(tǒng)的組合質(zhì)量來調(diào)整諧振頻率。因而通過選擇200Hz以下，最好是150Hz以下，甚至更好是100Hz以下的柔性安裝的框架的諧振頻率，可以通過外部驅(qū)動激勵柔性安裝的框架，使得在從揚(yáng)聲器系統(tǒng)不產(chǎn)生大的聲輸出的頻率范圍內(nèi)振蕩或振動。雖然在原理上，可以通過安裝在支撐結(jié)構(gòu)和框架之間的另一個致動器來提供激勵或驅(qū)動力，在優(yōu)選實施例中，這個力由驅(qū)動聲音產(chǎn)生元件的電激活致動器產(chǎn)生。因而，系統(tǒng)最好被這樣設(shè)計，使得框架在揚(yáng)聲器產(chǎn)生大的音頻輸出的頻率范圍內(nèi)不產(chǎn)生大的運(yùn)動。
在這個實施例中，諧振頻率被這樣調(diào)整，使得在音頻即200Hz以上，系統(tǒng)的機(jī)械阻抗、剛性或慣性足夠大，以便阻止框架相對于支撐結(jié)構(gòu)的運(yùn)動。
本發(fā)明的這些和其它特征通過參照附圖閱讀下面的詳細(xì)說明可以更加清楚地看出，在所有附圖中相同的標(biāo)號表示相同的部件。


在附圖中圖1A表示包括作為殼體的一部分的揚(yáng)聲器膜片的移動電話；圖1B表示通過圖1A的揚(yáng)聲器的截面圖；圖2表示作為殼體的一部分的揚(yáng)聲器膜片的另一個實施例；圖3表示一種揚(yáng)聲器，其中在膜片周圍的唇緣形成聲障板；圖4表示一種揚(yáng)聲器，其中的膜片是移動電話內(nèi)部的印刷電路板(PCB)。
圖5表示揚(yáng)聲器致動器的一些其它的位置；圖6是通過一個揚(yáng)聲器的截面圖，其中的膜片是絞接的；圖7表示圖6的揚(yáng)聲器的工作；圖8A表示其中揚(yáng)聲器被絞接的移動裝置；圖8B表示沿線A-A取的圖1A的截面圖；圖9A是具有包括壓電材料的絞接部分的絞接的發(fā)聲元件的一個例子的透視圖；圖9B是圖9A的裝置的截面圖；
圖10A是按照本發(fā)明的第二個例子的透視圖；圖10B是圖10A的裝置的截面圖；圖11是圖10的例子的均方根值頻率響應(yīng)曲線；圖12A是按照本發(fā)明的另一個裝置的透視圖；圖12B是圖12A的裝置的側(cè)視圖；圖13A是安裝在可移動的框架上的絞接的聲音發(fā)生元件的例子的透視圖；圖13B進(jìn)一步表示圖13A的重要元件；圖14是具有包括絞接的膜片的立體聲揚(yáng)聲器的移動電話的透視圖；以及圖15是具有絞接的膜片的低音揚(yáng)聲器的透視圖。
詳細(xì)說明在圖1A中，示出了一種移動電話手機(jī)10。移動電話10包括殼體11、觸摸敏感鍵盤區(qū)域12、屏幕13和天線14等已知特征。所示的揚(yáng)聲器系統(tǒng)包括殼體的面積擴(kuò)展部分15，該部分作為聲音產(chǎn)生元件或膜片，由在其下方的壓電致動器16驅(qū)動。
致動器16最好是被稱為HELIMORPH(TM)致動器的一種致動器，如在上面引用的專利申請中所述。
圖1B是沿著線AB取的圖1A的移動電話10的截面圖。在圖的頂部示出了聲音產(chǎn)生元件15，其和殼體11相鄰，在其間具有一個小的間隙17。致動器16在一端被連接在膜片15的下方，在其另一端被連接在支撐結(jié)構(gòu)18上，所述支撐結(jié)構(gòu)被安裝在移動電話10的殼體11內(nèi)。致動器16和一個用于提供音頻下的電振蕩的電路(未示出)相連。在HELIMORPH致動器16的電極之間產(chǎn)生的電場使其沿著雙頭箭頭19所示的方向膨脹或收縮，使得膜片15在音頻下振動，從而產(chǎn)生聲音。
圖2示出了在移動電話20中的本發(fā)明的揚(yáng)聲器的另一個實施例。在此例中，聲音產(chǎn)生元件25(畫有陰影)大致呈環(huán)形，具有矩形的孔，屏幕23通過所述的孔伸出。聲音產(chǎn)生元件和殼體21齊平，由一對疊置的向后彎曲的彎曲部分壓電致動器26驅(qū)動，所述致動器位于膜片25的下方，在屏幕23的每一側(cè)上。
在圖3中示出了通過本發(fā)明的一個實施例的剖視圖，其中膜片35的邊緣和殼體31的相鄰的邊緣包括唇緣39，作為附加的聲阻。膜片35放置在殼體31的孔內(nèi)，其間具有一個小的間隙37。如前所述，膜片35被在一端和框架38相連的HELIMORPH致動器36驅(qū)動。垂直的唇緣39在膜片35的外邊緣和殼體31的相鄰的邊沿周圍延伸，使得當(dāng)膜片35在工作時上下運(yùn)動時，在殼體31和膜片35之間的間隙37保持很小。所述唇緣用于幫助阻止聲音從膜片35的下側(cè)351向后放射，以免干擾從膜片35的上側(cè)352向前放射的聲音。即使當(dāng)殼體31上的唇緣39具有較短的長度(或者沒有)時，在膜片35上的唇緣39也保持一個窄的間隙37，因而保持一個高的聲阻。
在圖4中，印刷電路板(PCB)45作為揚(yáng)聲器的膜片。印刷電路板45是移動電話40的一個內(nèi)部功能元件，圖4是其截面圖。所述電路板和位于殼體41的下側(cè)上的框架48上的兩個疊置的向后彎曲部分與致動器46相連。致動器46在受到電激勵時膨脹和收縮，使PCB上下運(yùn)動，從而產(chǎn)生聲音。在和聲音產(chǎn)生元件45相鄰的區(qū)域內(nèi)，殼體41的一側(cè)上提供有多個端口413，以便使聲音能夠溢出。在殼體的另一側(cè)412未提供端口，從而把向后放射的聲音減到最小。
在圖5中以從上看的平面圖的形式示出了在本發(fā)明的揚(yáng)聲器中致動器56的幾種可能的布置。所示為HELIMORPH致動器56，不過也可以使用其它的壓電致動器。在圖5A中，揚(yáng)聲器膜片55和殼體51分開一個小的間隙57(畫有陰影)。HELIMORPH致動器56位于膜片55的下方，處于一個偏心位置。當(dāng)在膜片55的死點(diǎn)的下方具有其它元件時，這可能是有利的。在圖5B中，示出了另一個實施例，其中膜片55被設(shè)置在每一端的兩個HELIMORPH致動器56驅(qū)動。圖5C示出了另一個實施例，其中包括4個HELIMORPH致動器56，在膜片55的每個拐角上各有一個。在圖5D中，本發(fā)明的揚(yáng)聲器裝置具有環(huán)形膜片55。所述膜片55在一端和硅橡膠的一個小圓塊59絞接在一起，并在另一端由HELIMORPH致動器56驅(qū)動。致動器56處于殼體51和膜片55的下方，在一端561和殼體51的內(nèi)部相連，在另一端562和膜片55的下側(cè)相連。
圖6進(jìn)一步示出了圖5D的絞接的膜片裝置的工作。膜片65在鉸鏈69處被絞接，所述鉸鏈被安裝在殼體61上，并在膜片65的圓周上的一點(diǎn)占據(jù)膜片65和殼體61之間的間隙67。在膜片65的周邊上相對的一點(diǎn)，膜片65被HELIMORPH致動器66驅(qū)動，所述致動器在其一端661和膜片65相連，在其另一端662和殼體61相連。這是一種特別緊湊的揚(yáng)聲器，這是因為HELIMORPH裝置66非常薄，其厚度一般不大于2毫米，并略凸出進(jìn)入移動裝置的內(nèi)部。
在圖7A，B和C中，示意地示出了膜片75被激勵時的運(yùn)動。圖7A，B和C示出殼體71、鉸鏈79、膜片75、致動器76和連接761，762，如圖6所示。在圖7A中，致動器76處于其未被致動的位置，因而膜片75和殼體71齊平。在圖7B中，致動器76處于其延伸的位置，膜片75在那端被升高，圍繞鉸鏈79轉(zhuǎn)動。膜片75的未被致動的位置由虛線所示。在圖7C中，致動器76處于其縮回位置，膜片75的那一端相對于殼體71降低。和前面一樣，膜片75的未被致動的位置如虛線所示。在圖7B和圖7C的位置，可以看出，膜片相對于其未被致動的位置移動通過了角度α1和α2(為清楚起見被大大夸大了)，從而形成圍繞穿出紙面的通過鉸鏈79延伸的軸線的轉(zhuǎn)動，所述軸線平行于膜片75的平面。
圖8A和圖8B表示被包括在移動電話80中的圖5-7的揚(yáng)聲器，圖8B是圖8A沿線A-A’的截面圖。膜片85(畫有陰影)是透明的，并且位于屏幕83的上方。圖中所示為在兩個點(diǎn)89被絞接。其由HELIMORPH致動器86驅(qū)動，所述致動器在一端861被固定在殼體81上，在另一端862被固定在膜片85上。膜片85的面積近似等于40毫米×50毫米。兩個鉸鏈89是硅橡膠制成的，并且被分開18毫米。HELIMORPH致動器86是一種多層的PZT致動器，被螺旋彎曲成大約一個圓環(huán)的弧長的3/4。多層的PZT具有一種雙壓電晶片彎曲部分結(jié)構(gòu)，具有兩層PZT，每層厚度為0.3毫米，在外表面上和在所述兩層之間具有常規(guī)的電極(未示出)。帶的寬度是2毫米，螺旋直徑是5毫米。螺旋被彎曲成一個18毫米直徑的圓環(huán)的弧。因此，這種揚(yáng)聲器只占據(jù)移動電話內(nèi)部的直徑18毫米和厚5毫米的空間。致動器86的質(zhì)量大約為2.5克，膜片85的質(zhì)量大約是0.3克。在最大激勵下，唇緣的位移大約是+/-200微米。當(dāng)音頻信號被輸入到致動器86時，在100赫茲-10千赫茲以上的頻率范圍內(nèi)在30厘米的距離處達(dá)到大約70分貝的聲壓級(SPL)。
如上所述，選擇HELIMORPH致動器86作為基本的電活性作用，這種致動器是非常小的，對于厘米大小的電活性材料，當(dāng)被電激勵時，其位移一般不大于1微米的幾分之一。不過，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，其它類型的電活性致動器也可以被成功地使用。
為此，按照本發(fā)明的下述例子的鉸鏈部分被修改，以便包括電激活材料。參見圖9A，其中示出了和圖8A類似的鉸鏈部分的基本的透視圖。該圖表示在鉸鏈部分附近的殼體91的一部分和膜片95。在這個例子中，鉸鏈部分99包括電活性材料制成的管狀元件96。管狀元件96的一個平行于其主軸的90度的部分被除去，從而形成具有近似C形截面的元件96。元件96作為致動器。殼體91被固定在管狀元件96的第一邊緣961上，而聲音產(chǎn)生元件或膜片95被固定在管狀元件96的第二邊緣962上。
電活性的管狀元件96的長度為25毫米，外徑為4.4毫米，帶厚為0.4毫米。當(dāng)被激勵時，其能夠圍繞其主軸產(chǎn)生±0.33度的角度運(yùn)動，具有3.2毫牛頓·米的阻止轉(zhuǎn)矩。這轉(zhuǎn)換成膜片95的遠(yuǎn)側(cè)的運(yùn)動端951的±0.26毫米的位移，如圖9B所示。在這個邊緣的等效的力大約是0.071N。這和上述的HELIMORPH驅(qū)動的揚(yáng)聲器系統(tǒng)相當(dāng)，其具有±0.2毫米的位移和0.068N的阻止力。適用于本發(fā)明的電激活管狀元件96和電激活的轉(zhuǎn)動器的其它例子在專利文件WO-02/17408中描述了，該文件被包括在此作為參考。
致動器96的質(zhì)量是0.75克，膜片95的質(zhì)量是0.2克。不過，因為致動器96位于鉸鏈附近，致動器96的慣量是1.5gmm2，而膜片95的慣量是166gmm2。因此，雖然致動器96的機(jī)械性能和上述的HELIMORPH驅(qū)動的揚(yáng)聲器系統(tǒng)類似，但其慣量是可以忽略的。因而致動器96不用其大量的力驅(qū)動其自身的質(zhì)量。其被用于驅(qū)動膜片95。圖9所示的鉸鏈驅(qū)動的揚(yáng)聲器的基本的諧振頻率大約是280Hz，因而能夠產(chǎn)生可聽的聲音。
在另一種結(jié)構(gòu)中，如圖10A和10B所示，框架結(jié)構(gòu)101支撐著膜片或聲音產(chǎn)生元件105。膜片105具有遠(yuǎn)端1051和近端1052。在近端，膜片105借助于鉸鏈部分109被固定在支撐結(jié)構(gòu)101上，這使得膜片105能夠圍繞鉸鏈部分的軸線轉(zhuǎn)動。
致動器106是一種如上面的例子中使用的C形致動器，其被安裝在支撐結(jié)構(gòu)101的背面，并通過這種結(jié)構(gòu)中的一個槽延伸到膜片105的近端。其適用于將它的力主要沿著膜片105的平面的方向施加，借以使膜片105圍繞鉸鏈109的軸線轉(zhuǎn)動。膜片105的一部分以及從膜片上伸出的任何部件1053提供一個小的附加杠桿，以便進(jìn)一步改善從致動器106向膜片105的力傳遞。
膜片105由聚碳酸酯制成，被熱壓成有褶皺的形狀，以便增加其剛性，同時維持低的重量。其它具有低的重量和高的剛度的材料例如纖維增強(qiáng)塑料同樣適用于和本發(fā)明相關(guān)的使用。膜片105可以具有更復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，例如包括被夾在兩層重量輕的材料或其類似物之間的蜂房狀的加強(qiáng)物。
膜片105具有大的柔性的邊沿部分1054，以密封膜片105下面或后面的半空間。在目前的例子中，所述密封件由薄的聚碳酸酯的唇緣形成，并因而形成膜片105的一個整體部分。
圖11示出了揚(yáng)聲器裝置的頻率響應(yīng)。圖中以分貝給出了聲壓級SLP，是在與膜片105距離1毫米的位置處測量的，頻率范圍為100Hz-20kHz(用對數(shù)比例)。
圖12A，12B示出了能夠用來產(chǎn)生可聽的聲音和振動的一個實施例。再次示出了便攜式電話的一部分的示意圖，其具有殼體121和包括聲音產(chǎn)生元件或膜片125以及上述的HELIMORPH類型的電激活致動器126的揚(yáng)聲器系統(tǒng)。不過，所示的裝置和前述的裝置的區(qū)別在于，鉸鏈部分129不被安裝在移動裝置的殼體或外殼121上，而被安裝在框架結(jié)構(gòu)128上?？蚣芙Y(jié)構(gòu)128又借助于彈性元件1281被柔性地固定。在所示的例子中，彈性元件是鋼彈簧。在其遠(yuǎn)端，框架結(jié)構(gòu)借助于和上述類似的鉸鏈部分1282被固定到殼體121上。
包括彈簧和鉸鏈的整個框架結(jié)構(gòu)理想地構(gòu)成具有一個自由度的振蕩系統(tǒng)。所述系統(tǒng)借助于驅(qū)動致動器126被激勵而諧振，其諧振頻率由彈簧1281的剛性和質(zhì)量確定。所述諧振被這樣調(diào)節(jié)，使得在音頻下(即200Hz以上)，系統(tǒng)的阻抗足夠大，以便阻止相對于基體的面板的運(yùn)動。
第一彈簧1281是通過圍繞1毫米直徑的金屬線成型器彎曲25微米的彈簧鋼被制成。這個裝置的諧振頻率通過利用激光位移計(LDM)測量其自由振動(響應(yīng)用手操作的位移)得到。測量的頻率是60赫茲。通過測量彈簧的力/位移特性，求得彈簧的剛性是216Nm-1。原始彈簧的尺寸如下長度＝5毫米寬度＝4毫米高度＝3毫米角度＝31度左右已知系統(tǒng)的諧振頻率(60Hz)和彈簧的剛性，可以求出表觀質(zhì)量ωn=kma]]>[1]ma=kωn2=216(2π(60))2=0.00152kg]]>系統(tǒng)的實際質(zhì)量如下致動器126的質(zhì)量＝0.552g框架/膜片125的質(zhì)量＝1.541g總質(zhì)量＝2.093g視在質(zhì)量＝1.520g質(zhì)量比＝0.726質(zhì)量比表示裝置的質(zhì)量中心位于距離連接致動器126的一端膜片125的長度的1/4附近。
為了調(diào)整裝置的頻率范圍，使用LDM和加速度計測量了由市場上可得到的移動電話取下的振蕩器元件的響應(yīng)。所述裝置由一個具有不平衡重量的轉(zhuǎn)子的小的電動機(jī)構(gòu)成，所述電動機(jī)在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生力。對不同的電壓測量了響應(yīng)，得到裝置的目標(biāo)頻率范圍是75-80Hz，因而略高于原始裝置的諧振頻率。
通過參考原始彈簧的尺寸和特征，估算為達(dá)到大約80Hz的諧振所需的尺寸長度＝6mm寬度＝8mm高度＝3mm。
按照這些近似尺寸制造了彈簧并被裝配在裝置中。測量的諧振頻率是89Hz，略高于目標(biāo)范圍。因而，把一個范圍為0.1克-0.2克的小的質(zhì)量1283附加于框架的靠近致動器126的位置(見圖12B)。
所得的諧振頻率的改變使裝置處于目標(biāo)范圍內(nèi)。由原始振蕩器和組合的裝置達(dá)到的振動的幅值的定量的比較表明，原始裝置產(chǎn)生較大的振動，雖然組合的裝置處于同一個數(shù)量級內(nèi)。
借助于使組合裝置和一個呈現(xiàn)在已調(diào)諧的頻率下的諧振方式的底板相連，可以進(jìn)一步改善組合裝置的性能。
圖13示出了具有整體鉸鏈的揚(yáng)聲器膜片135的示意的平面圖(圖13A)和截面圖(圖13B)。膜片135具有作為鉸鏈的兩個窄的區(qū)域139。示出了在鉸鏈的一側(cè)上的兩個固定點(diǎn)1391，具有在鉸鏈的另一側(cè)上的聲音產(chǎn)生區(qū)域135。HELIMORPH致動器136在其距離鉸鏈139的最遠(yuǎn)的一端驅(qū)動聲音產(chǎn)生元件135。圖13B示出了一個附加的固定銷1392，其通過固定點(diǎn)1391設(shè)置。固定銷1392和致動器136都被安裝在殼體131的內(nèi)部。在殼體131內(nèi)的孔提供在其內(nèi)部到外部之間的聲音通路。
圖14示出了具有包括絞接的膜片145的立體聲揚(yáng)聲器的移動電話140。為了說明的目的，其前面未示出。兩個揚(yáng)聲器是類似的，每個揚(yáng)聲器位于每半個移動電話140內(nèi)。每個揚(yáng)聲器包括膜片145和HELIMORPH致動器146。每個膜片145包括用作鉸鏈的兩個較薄的區(qū)域149，兩個固定點(diǎn)1491和聲音產(chǎn)生元件145。當(dāng)致動器146被激勵時，聲音產(chǎn)生元件145上下“拍打”，從而產(chǎn)生聲音。在裝置的每端1411和1412提供有端口1413，使得聲音能夠輻射出，如空心箭頭所示。沿著裝置的長度的一半提供有障板147，用于提供揚(yáng)聲器所在的兩個隔室的聲音隔離。當(dāng)立體聲的兩個通道由每個致動器146輸入時，則產(chǎn)生兩個聲道的聲音，各自從裝置的每端1411，1412放出。圖14所示的裝置是一種移動電話，但也可以是PDA、便攜式計算機(jī)或這些裝置的屏幕隔室。
圖15所示是具有多個電激活致動器的低音揚(yáng)聲器。揚(yáng)聲器150包括框架151(畫有陰影)，其上安裝有20個HELIMORPH致動器156(用虛線表示)，所述致動器的另一端(自由端)和作為聲音產(chǎn)生元件的重量輕的面板155相連。如通常的揚(yáng)聲器那樣，在聲音產(chǎn)生元件的后方提供有殼體(未示出)，用于吸收向后方發(fā)出的聲音。或者可以在面板的后方安裝一個聲音吸收器(未示出)，用于吸收后方發(fā)出的聲音。面板155的高度是44cm，寬度是77cm。每個致動器156呈被彎成環(huán)形的螺旋彎曲部分的形狀，螺旋的直徑是5mm，圓環(huán)的直徑是50mm。面板是一個由重量輕的材料制成的大面積面板，例如有蒙皮的聚合物泡沫材料，其厚度為幾毫米，質(zhì)量大約為200克或更小。當(dāng)被同時激勵時，致動器使面板以活塞的方式往返運(yùn)動，最大位移為±2mm。在直到20赫茲的低頻下，在距離面板1mm的距離處，由這種揚(yáng)聲器可得到的聲壓級是100dB。因而所示的揚(yáng)聲器形成一個大功率的低音揚(yáng)聲器，和常規(guī)的動圈低音揚(yáng)聲器相比，其體積非常小，并且重量輕。
此外，在2001年6月21日申請的申請?zhí)枮?115244.6的名稱為“LOUDSPEAKER”的英國專利申請描述了能夠?qū)嵤┍景l(fā)明的多種裝置和方法，本申請要求其優(yōu)先權(quán)，該專利文件包括在此作為參考。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生可聽的聲音的揚(yáng)聲器，包括被安裝在一支撐結(jié)構(gòu)上的聲音產(chǎn)生元件，以及適用于使所述聲音產(chǎn)生元件圍繞一絞鏈部分轉(zhuǎn)動的至少一個致動器。
2.如權(quán)利要求1所述的揚(yáng)聲器，其中所述聲音產(chǎn)生元件在一近邊沿和所述支撐結(jié)構(gòu)連接在一起，從而形成所述絞鏈部分，同時在其它的邊沿和所述支撐結(jié)構(gòu)分開。
3.如權(quán)利要求2所述的揚(yáng)聲器，其中所述絞鏈部分延伸到小于所述聲音產(chǎn)生元件的周邊的總長度的1/4。
4.如權(quán)利要求4所述的揚(yáng)聲器，其中在所述聲音產(chǎn)生元件的邊沿和所述支撐結(jié)構(gòu)之間的間隙被一個或幾個柔順的密封元件橋接。
5.如權(quán)利要求1所述的揚(yáng)聲器，其中所述致動器是陶瓷致動器。
6.如權(quán)利要求1所述的揚(yáng)聲器，其中所述致動器由壓電材料制成。
7.如權(quán)利要求6所述的揚(yáng)聲器，其中所述致動器適用于當(dāng)被激勵時作轉(zhuǎn)動運(yùn)動。
8.如權(quán)利要求7所述的揚(yáng)聲器，其中所述致動器構(gòu)成所述絞鏈部分的至少一部分。
9.如權(quán)利要求7所述的揚(yáng)聲器，其中所述致動器呈管狀，其中的一部分被除去。
10.如權(quán)利要求6所述的揚(yáng)聲器，其中所述致動器適用于當(dāng)被激勵時直線地延伸。
11.如權(quán)利要求9所述的揚(yáng)聲器，其中所述致動器呈兩此纏繞的線圈的形狀。
12.如權(quán)利要求1所述的揚(yáng)聲器，其中所述聲音產(chǎn)生元件被安裝在一框架上，所述框架被柔性地安裝在所述支撐結(jié)構(gòu)上。
13.一種包括至少一個如權(quán)利要求1所述的揚(yáng)聲器的便攜式裝置。
14.一種電視系統(tǒng)，包括適用于產(chǎn)生立體聲的至少兩個如權(quán)利要求1所述的揚(yáng)聲器。
15.一種用于在裝置中產(chǎn)生可聽的聲音的方法，所述裝置包括通過絞鏈連接到作為所述裝置的一部分的支撐結(jié)構(gòu)上的聲音產(chǎn)生元件和致動器，所述方法包括以下步驟把所述致動器的一端連接到所述聲音產(chǎn)生元件上，以及利用表示所述聲音的信號激勵所述致動器，從而引起所述聲音產(chǎn)生元件圍繞所述絞鏈部分的轉(zhuǎn)動。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括以下步驟把所述聲音產(chǎn)生元件安裝到所述支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)的一柔性安裝的框架上，并利用低頻信號激勵所述致動器，從而引起所述裝置的振動運(yùn)動。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種用于產(chǎn)生可聽的聲音的揚(yáng)聲器，包括被安裝在一個支撐結(jié)構(gòu)上的聲音產(chǎn)生元件，以及適用于使所述聲音產(chǎn)生元件圍繞一個絞鏈部分轉(zhuǎn)動的至少一個致動器，其中所述致動器由壓電材料制成。在一些改型中，所述致動器構(gòu)成所述絞鏈的一部分，并且所述揚(yáng)聲器能夠通過其支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動。
文檔編號H04R1/02GK1547869SQ02816519
公開日2004年11月17日 申請日期2002年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月21日
發(fā)明者S·A·朗格博托姆, A·馬特森, G·麥科維特, R·J·托普利斯, M·J·比特斯, M·R·舍赫德, S A 朗格博托姆, 厴, 托普利斯, 比特斯, 舍赫德, 莆 申請人:1...有限公司