本發(fā)明涉及一種靜電式換能器，特別是但不僅限于適于重現(xiàn)音頻信號的揚聲器。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的靜電式揚聲器包括設(shè)置在兩個多孔導電背板之間以形成電容器的導電膜。直流偏壓作用于該膜，而交流信號電壓作用于兩個背板?？赡苄枰獢?shù)百甚至數(shù)千伏的電壓。信號導致了施加于帶電荷的膜上的靜電力，該帶電荷的膜移動從而驅(qū)動在其任一側(cè)的空氣。

在US 7095864中，公開了一種包括多層板的靜電式揚聲器。電絕緣層夾在兩個導電外層之間。絕緣層在其一側(cè)上具有圓形凹陷。當直流偏壓加到兩個導電層上時，其中一層的部分被吸引到絕緣層上從而形成了跨越凹陷的小鼓皮。當施加交流信號時，鼓皮共振，并且部分導電層振動從而產(chǎn)生了要求的聲音。

在WO 2007/077438中公開了包括多層板的又一種類型的靜電式揚聲器。電絕緣層夾在兩個導電外層之間。在這種布局中，其中一個導電外層是多孔的，例如可以是設(shè)有尺寸通常是0.11mm的孔隙的編織絲網(wǎng)。

在US 2009/0304212中公開了一種包括導電背板的靜電式揚聲器，該導電背板設(shè)有通氣孔陣列以及間隔件陣列。在該背板上放置有包括介電體和導電膜的膜。背板和膜之間的間隔大約是0.1mm，施加于導電背板和導電膜的低電壓會推動膜從而生成音頻。

該類型靜電揚聲器的一個問題是使膜獲得足夠的位移。WO 2012/156753公開了一種靜電式換能器，包括具有通孔的導電第一層，在第一層上的柔性絕緣第二層，和設(shè)置在第二層上的柔性導電第三層。在第一和第二層之間或者在第二和第三層之間設(shè)置間隔。第一和第二層之間的間隔允許第二和第三層運動的更大自由度，允許第二和第三層更大的位移。發(fā)現(xiàn)第二和第三層之間的間隔也能改進聲學性能。

然而，仍需要進一步改進這種類型靜電式換能器的聲學性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

從第一方面看時，本發(fā)明提供的靜電式換能器包括：

具有通孔陣列的導電背板構(gòu)件；

設(shè)置在所述背板構(gòu)件上的間隔構(gòu)件，所述間隔構(gòu)件具有通過其的孔陣列，各孔的最大橫向尺寸小于最小橫向尺寸的兩倍；以及

設(shè)置在所述間隔構(gòu)件上的柔性導電膜；

其中，所述換能器布置成在使用中施加電勢，所述電勢產(chǎn)生所述背板構(gòu)件和所述膜之間的靜電吸引力，從而使所述膜橫跨所述間隔構(gòu)件中的孔的部分朝著所述背板構(gòu)件移動。

因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將看出，設(shè)置在間隔構(gòu)件中的孔配合膜以提供產(chǎn)生鼓皮效應(yīng)的區(qū)域的陣列。當孔全程具有類似的尺寸時，發(fā)現(xiàn)可以實現(xiàn)最佳性能。最大和最小橫向尺寸的比率可以小于1.5，例如小于1.2。

此外，在靜電勢下降(因此靜電力減小)時，膜中在其部分朝向背板構(gòu)件移動時產(chǎn)生的張力提供回復力。因此，本發(fā)明通過有效地將“回復彈簧”引入到換能器，對以前類似的傳感器進行了改進，顯著地提高了其聲學性能。例如這種布置可以增加可用頻率范圍，并且提高由換能器產(chǎn)生的聲音的整體品質(zhì)。在一些實施例中已經(jīng)觀察到，這種布置在200Hz和5kHz之間的聲壓級中表現(xiàn)出6dB的增加。

所述膜可以被布置成，其最初不與所述間隔構(gòu)件接觸，即施加零電勢時。在這種情況下，通過吸引膜到背板構(gòu)件的電勢的應(yīng)用，可以使膜與間隔構(gòu)件接觸。膜橫跨間隔構(gòu)件中孔的部分因此能夠以上述方式響應(yīng)電勢移動。此外，膜可以保持與間隔構(gòu)件的接觸，例如通過機械預(yù)張力、通過結(jié)合或者通過電勢。例如，可以應(yīng)用直流偏向電勢以維持膜與間隔構(gòu)件的接觸，同時除直流信號之外，交流驅(qū)動信號驅(qū)動所述部分橫跨孔的移動。

如上概述的本發(fā)明可以被應(yīng)用到所謂的推挽式換能器，其中兩個背板構(gòu)件被設(shè)置在膜的任一側(cè)，以在兩個方向上移動其。然而在優(yōu)選實施例中，所述換能器在使用中被布置成，應(yīng)用只產(chǎn)生背板構(gòu)件和膜之間有靜電吸引力的電勢。在這種布置中，只有單個背板構(gòu)件是必須的。但是上文提到的回復力允許實現(xiàn)良好的聲學性能。

這種布置本身是新穎的且創(chuàng)造性的，因此從第二方面看時，本發(fā)明提供的靜電式換能器包括：

具有通孔陣列的導電背板構(gòu)件；

設(shè)置在所述背板構(gòu)件上的間隔構(gòu)件，所述間隔構(gòu)件具有通過其的孔陣列；以及

設(shè)置在所述間隔構(gòu)件上的柔性導電膜；

其中，所述換能器布置成在使用中施加電勢，所述電勢僅產(chǎn)生所述背板構(gòu)件和所述膜之間的靜電吸引力，從而使所述膜橫跨所述間隔構(gòu)件中的孔的部分朝著所述背板構(gòu)件移動。

對于孔可以使用任何合適的形狀，但是在優(yōu)選實施例中由于上述原因，所述孔中的每一個的最大橫向尺寸小于最小橫向尺寸的兩倍。

除非另有明確說明，下文討論的特征可以被應(yīng)用到本發(fā)明的第一方面或者本發(fā)明的第二方面。

間隔構(gòu)件中孔的尺寸、形狀、間距和圖案可以影響引入到膜的張力的大小，并且影響膜產(chǎn)生張力的區(qū)域。因此，可以優(yōu)化孔的尺寸、形狀、間距和圖案以生成所需的張力量，或者最大化膜中生成的張力。在一些實施例中，所述孔的形狀選自圓形、六邊形、正方形和橢圓形。然而，也可以是其他形狀。

間隔構(gòu)件中的孔可以具有任何合適的尺寸，但是在一些實施例中，所述孔的最大橫向尺寸在1mm和50mm之間，例如在10mm和40mm之間，例如在20mm和30mm之間，例如大約25mm。在一些實施例中，間隔構(gòu)件的孔大于背板構(gòu)件中的通孔。所述孔的最大橫向尺寸比所述背板構(gòu)件中的所述通孔的所述最大橫向尺寸大2到50倍，例如大10到40倍，例如大20到30倍，例如大大約25倍。

間隔構(gòu)件中孔之間的間距可以具有任何合適的尺寸。但是，當聲音通過膜僅在或者主要在其在間隔構(gòu)件的孔上自由振動的地方生成時，優(yōu)選孔之間的間距比孔的尺寸小得多。但是，間距不應(yīng)該小到對通過間隔構(gòu)件提供給膜的支撐有不利的影響，或者小到由于間隔構(gòu)件的反作用力的壓力，對膜造成損壞。因此，在優(yōu)選實施例中，所述間隔構(gòu)件中所述孔之間的所述間距在1和5mm之間，例如在2和4mm之間，例如大約3mm。

在一些實施例中，間隔構(gòu)件中的每個孔具有相同的尺寸和形狀。然而這不是必需的：間隔構(gòu)件中的孔可以具有不同的尺寸和不同的形狀。例如，間隔構(gòu)件可以具有包括一些20mm且圓形的孔和一些30mm且圓形的孔的孔的陣列。作為另一個例子，間隔構(gòu)件可以具有一些六邊形的孔和一些正方形的孔?？椎某叽?、間距、形狀和/或圖案可以橫跨間隔構(gòu)件的表面變化。例如，較大的孔可以朝向間隔構(gòu)件的中心設(shè)置，而較小的孔可以朝向邊緣設(shè)置。作為另一個例子，間隔構(gòu)件可以在其一部分中具有六邊形孔的六方形陣列，而在其另一部分中具有正方形孔的正方形陣列。

孔可以被以任何合適的圖案或排列布置。然而，正如上文所討論的，優(yōu)選在一些情況下，孔之間的間距不太大以便最大化膜能夠在間隔構(gòu)件的孔上振動的區(qū)域。因此，在一些實施例中，孔被以六方密堆陣列布置。在其他一些實施例中，孔被以正方形的晶格排列布置?？卓梢跃哂泻线m的形狀以最小化孔之間的間距，即基本上網(wǎng)格形狀。例如，如果陣列是六方密堆陣列，孔可以為六邊形(即蜂窩狀排列)。如果孔以正方形的晶格排列布置，孔可以為正方形。然而，未必如此。例如，復數(shù)個孔可以是以正方形晶格排列或者以六方密堆排列布置的復數(shù)個圓形。其它晶格排列也是可以的，并且在一些實施例中，孔被隨機布置。

由于上述膜中的張力具有優(yōu)勢，需要優(yōu)化換能器的結(jié)構(gòu)以便優(yōu)化膜中的張力。以這種方式影響換能器性能的因素是在換能器的制造階段被引入的任何膜的張力。例如，當組裝背板構(gòu)件、間隔構(gòu)件和膜時，它們可以被結(jié)合在一起(例如如下文中進一步討論的，在數(shù)個構(gòu)件的邊緣，或者橫跨構(gòu)件的表面)以便引入膜的預(yù)張力。

尤其需要最大化膜的振動幅度，因為這可以最大化對于所應(yīng)用的靜電勢的聲學響應(yīng)。然而，如果膜移位太遠，它可能接觸背板構(gòu)件。間隔構(gòu)件的存在，橫跨膜的整個表面防止膜接觸背板構(gòu)件，并且如果在與間隔構(gòu)件中孔的中心對應(yīng)的小區(qū)域中膜接觸背板構(gòu)件，換能器仍然會起作用。

在一些實施例中，膜和背板構(gòu)件之間沒有接觸。因此在一些實施例中，在制造換能器時，膜具有預(yù)張力，使得在所述靜電勢達到其動態(tài)范圍的最大值時，所述膜的所述部分的移位小于或大致等于所述間隔構(gòu)件的所述厚度。

相反地，在一些實施例中膜不接觸背板。所述膜可以具有預(yù)張力，以在施加電勢的一些或者全部時間里允許所述膜和所述背板構(gòu)件相接觸。例如，膜可以僅僅在高電勢時接觸背板?；蛘?，在電勢施加時，膜可以保持與背板的接觸，并且響應(yīng)電勢中的變化移動，使得當膜移動時，與背板接觸的區(qū)域變化。

從上文可以理解，所需的膜預(yù)張力一定程度上取決于間隔構(gòu)件的厚度。間隔構(gòu)件能夠具有任何合適的厚度，但是所述間隔構(gòu)件的所述厚度可以在15μm和3mm之間，例如在0.1mm和1mm之間，例如大約0.5mm。正如上文所討論的，背板構(gòu)件、間隔構(gòu)件和膜可以在它們的邊緣連接。另外地或者替代地，這些構(gòu)件可以部分地或者橫跨它們整個表面地結(jié)合在一起。例如，這些構(gòu)件可以在將它們完全分隔開的結(jié)合線結(jié)合。作為另一個例子，膜可以在間隔構(gòu)件中的一些孔之間的多個分離的點結(jié)合到間隔構(gòu)件?？梢栽谒霰嘲鍢?gòu)件和間隔構(gòu)件之間；在所述間隔構(gòu)件和所述膜之間；或者既在所述背板構(gòu)件和間隔構(gòu)件之間又在所述間隔構(gòu)件和所述膜之間，設(shè)置結(jié)合。構(gòu)件之間的結(jié)合可以具有忽略不計的厚度，或者可以用作分離構(gòu)件的進一步的間隔件。

所述背板構(gòu)件、間隔構(gòu)件和膜中的每一個包括大致平面的片材。

導電背板構(gòu)件可以由任何合適的材料或者材料的組合制成。導電背板構(gòu)件可以是剛性的，但也可以是半剛性的或者柔性的。例如，背板構(gòu)件可以是復合層，所述復合層包括通過金屬化在上面應(yīng)用導電層的聚合物板，例如通過氣相沉積。導電層可以包括鋁?；蛘?，背板構(gòu)件可以包括金屬片。在一些實施例中，金屬片為鋁。背板構(gòu)件可以具有任何合適的厚度，例如在0.2mm和5mm之間，例如大約1mm。

背板構(gòu)件中的通孔可以是圓形的。所述通孔的最大橫向尺寸(平行于所述背板構(gòu)件的中間平面)在0.5mm和2mm之間，例如大約1mm。所述孔之間的間距可以在0.5mm和5mm之間，例如大約1mm。文中根據(jù)通孔間距而使用的術(shù)語“間距”，其含義是相鄰的通孔最近的邊之間的距離(即，通孔之間材料的厚度)，而不是，例如，相鄰通孔的中心之間的距離。

間隔構(gòu)件可以由任何合適的材料或者材料的組合制成，但是優(yōu)選其由聚合物，例如聚酯膜制成。間隔構(gòu)件可以是剛性的、半剛性的或者柔性的

在一些實施例中，間隔構(gòu)件是電絕緣的。但是申請人還設(shè)想間隔構(gòu)件可以是導電的，例如通過具有應(yīng)用電勢的覆蓋在絕緣基板上的導電層，使得膜也被吸引到間隔構(gòu)件的導電層。這可以提供的優(yōu)勢是更大的吸引力被提供(由于與背板構(gòu)件相比，膜更接近間隔構(gòu)件上的導電層)。因此，使得膜接觸間隔構(gòu)件需要的電勢可以更小。導電層可以在通孔的壁上延伸。這可以提供的優(yōu)勢是，膜對于導電層的吸引力可以有助于膜的部分橫跨孔的移動。

柔性導電膜可以由任何合適的材料或者材料的組合制成。它可以完全由導電材料制成，或者它可以僅僅部分由導電材料制成，例如它可以包括覆蓋到電絕緣層上的導電層。優(yōu)選其由金屬化聚合物片制成。例如，膜可以由通過金屬化在上面設(shè)置有鋁層的聚酯高分子片制成。所述膜的厚度可以在4μm和0.5mm之間，優(yōu)選在6μm和0.1mm之間，例如大約10μm。

每個構(gòu)件的厚度可以是常數(shù)，或者可以在整個換能器上變化。

所述孔中的每一個的最大橫向尺寸小于最小橫向尺寸的兩倍。背板構(gòu)件可以是導電的。間隔構(gòu)件可以是電絕緣的。優(yōu)選所述換能器在使用中被布置成，應(yīng)用電勢僅產(chǎn)生所述導電層和所述膜之間的有吸引力的靜電力。

附圖說明

僅作為示例，現(xiàn)在參照附圖描述本發(fā)明某些優(yōu)選的實施例，所中：

圖1為穿過根據(jù)本發(fā)明一個實施例的換能器的圖解剖面，示出了零電勢應(yīng)用到換能器時，設(shè)置在間隔構(gòu)件上的柔性導電膜的位置，間隔構(gòu)件具有通過其的孔；

圖2為圖1換能器的間隔構(gòu)件的平面圖，示出了通過間隔構(gòu)件的孔；

圖3為穿過圖1換能器的圖解剖面，示出了非零電勢應(yīng)用到換能器時，膜的位置；

圖4為穿過根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的換能器的圖解剖面，其中導電層覆蓋在間隔構(gòu)件上；

圖5為穿過圖4換能器的圖解剖面，示出了非零電勢應(yīng)用到換能器時，膜的位置。

具體實施方式

圖1示出了包括背板構(gòu)件102的換能器100，其厚度為1mm.。背板構(gòu)件102由鋁板制成，盡管也可以使用其他材料或者材料的組合。絕緣間隔構(gòu)件104設(shè)置在背板構(gòu)件上。間隔構(gòu)件104的厚度為0.3mm，并且由高分子聚酯膜(polymer Mylar)制成。

復合膜106設(shè)置在間隔構(gòu)件104上。膜106包括10μm厚的聚合物片，其具有通過金屬化設(shè)置在其上的鋁層110。在本實施例中，鋁層設(shè)置在聚合物片108背對間隔構(gòu)件104的表面上。然而，在其他實施例中，膜可以在聚合物層面對間隔構(gòu)件的一側(cè)包括導電層，或者導電層可夾在兩個聚合物片之間。在一些實施例中，可存在單個柔性導電層以代替復合膜。

背板構(gòu)件102設(shè)置有通孔112的陣列。這些通孔112為直徑3mm的圓形，且孔間間距為2mm。這些通孔112以規(guī)則正方形的晶格排列定位。

間隔構(gòu)件104設(shè)置有通孔114的陣列。如圖2所示，通孔114為六邊形，并且以六方密堆(hexagonal close packed)排列(即以蜂窩狀排列)布置。它們具有22mm的最大橫向尺寸(頂點到頂點，如箭頭A所示)，以及19mm的最小橫向尺寸(邊到邊)?？?14之間的間距界定了內(nèi)孔壁116。內(nèi)孔壁116具有3mm的厚度(如箭頭B所示)。

使用中，變化的靜電勢應(yīng)用到背板構(gòu)件102，以及膜106的導電鋁層110。這示于圖3中。電勢由添加至交流驅(qū)動信號(+/-200V)的直流電勢(250V)構(gòu)成，所述交流驅(qū)動信號對應(yīng)所需的聲音。這導致電勢能夠在50V和450V之間變化，取決于所需的聲音波形。電勢引起背板構(gòu)件102和膜106之間取決于電勢強度的靜電吸引力。作為該力的結(jié)果，膜106具有朝向背板構(gòu)件102移位的部分118，從而使其周圍的空氣移動。由此產(chǎn)生了電信號的聲學響應(yīng)。

當部分118變形以更靠近背板構(gòu)件102時，在膜橫跨孔114的部分118中產(chǎn)生張力。該張力提供了使得部分118偏向回到它們的平衡位置的偏向力，所以當電勢下降時，由張力產(chǎn)生的偏向力提供了回位彈簧效應(yīng)，使膜106的部分118朝著平衡位置恢復，從而提高換能器的聲學性能。

在本實施例中，在構(gòu)件102、104、106之間未設(shè)置結(jié)合。然而，在其他實施例中，構(gòu)件102、104、106可在它們接觸的部分或整個表面結(jié)合在一起。例如，膜106可以在其接觸內(nèi)孔壁116的上表面的一些地方結(jié)合。同樣地，背板構(gòu)件102可以在其接觸內(nèi)孔壁116的底部的一些或者全部地方結(jié)合到間隔構(gòu)件104。

圖4示出了具有與圖1實施例的所述特征相對應(yīng)的特征的換能器400，即背板構(gòu)件402；設(shè)置在背板構(gòu)件402上的間隔構(gòu)件404；和復合膜406。此外，在該實施例中間隔構(gòu)件404上還應(yīng)用了導電金屬層420。在該實施例中，金屬層420實際上在背板構(gòu)件402上延續(xù)，在這種情況下，背板構(gòu)件沒有必要導電。間隔構(gòu)件404的基板厚度為0.3mm，并且由高分子聚酯膜制成。導電層420通過使間隔構(gòu)件404和背板構(gòu)件402金屬化產(chǎn)生，所以導電層420覆蓋了間隔構(gòu)件404和背板構(gòu)件402裸露出的上表面，以及間隔構(gòu)件404中的孔的壁。導電層還沿背板構(gòu)件402中通孔的壁向下部分延伸。在其他實施例中，單獨的金屬層可應(yīng)用在間隔構(gòu)件和背板構(gòu)件上，或者金屬層可僅應(yīng)用在間隔構(gòu)件上。膜406包括厚度為10μm的聚合物片，其具有通過金屬化設(shè)置在其上的鋁層110。

使用中，變化的靜電勢應(yīng)用到導電層420，以及膜406的導電鋁層410。這示于圖5中。電勢由添加至交流驅(qū)動信號(+/-200V)的直流電勢(250V)構(gòu)成，所述交流驅(qū)動信號對應(yīng)所需的聲音。這導致電勢能夠在50V和450V之間變化，取決于所需的聲音波形。電勢引起導電層420和膜406之間取決于電勢強度的靜電吸引力。作為該力的結(jié)果，膜406具有朝向?qū)щ妼?20從而朝向背板構(gòu)件402移位的部分418，從而使其周圍的空氣移動。由此產(chǎn)生了電信號的聲學響應(yīng)。

部分418變形以更靠近導電層420(因此更靠近背板構(gòu)件402)，在膜橫跨孔414的部分418中引起張力。正如前面的實施例那樣，該張力提供了使得部分418偏向回到它們的平衡位置的偏向力，所以當電勢下降時，由張力產(chǎn)生的偏向力提供了回位彈簧效應(yīng)，使得膜406的部分418朝著其平衡位置恢復，從而提高換能器的聲學性能。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，所描述的僅僅是兩個可能的實施例，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以進行許多變化和修改。例如，每個構(gòu)件可以具有不同的厚度，或者可以由替代材料制成?？卓梢跃哂胁煌男螤?、尺寸、間距或者圖案，并且通孔可以具有不同的形狀、尺寸、間距或者圖案。