CN101128069B - 铁磁液体置中的音圈扬声器 - Google Patents

Abstract

音频扬声器包括：具有支撑框架(22)的驱动单元(10)，支撑框架具有形成磁结构(26)的中央部分(24)，所述磁结构确定中央磁柱(40)周围的环形间隙(28)；具有振动膜(62)和音圈(64)的振动系统(60)，音圈连到所述振动膜的一侧，其中所述振动系统固定到所述支撑框架且所述音圈可移动地安装在所述环形间隙中；及在所述环形间隙中仅布置在所述音圈一侧和所述环形间隙表面之间具有较高磁通量强度的那一空间中的磁性液体(80)。

Description

铁磁液体置中的音圈扬声器

本申请要求2006年2月14日申请的美国临时专利申请60/766,831的利益。

技术领域

本发明涉及音频扬声器。具体地，本发明涉及利用液体悬置机制将音圈组合在音频扬声器中的音频扬声器。

背景技术

音频扬声器通过振动膜的运动转移空气而产生可听见的声音。振动膜连到音圈并在音圈的控制下运动，借助于此，与将要再现的声音相关的电流被驱动。音圈布置在磁结构的环形气隙中。磁结构包括在气隙中提供径向通量的永久磁体。通过音圈的电流与该径向通量相互作用以在音圈上提供轴向的力并导致音圈及相连的振动膜的位移。

气隙中音圈的定心对音频扬声器的性能至关重要。音圈对气隙壁的任何刮擦均将导致嗡嗡声和失真，这将影响声音质量。另外，刮擦将在悬置系统上产生不需要的应力及去除音圈绕组的绝缘。这将导致早期扬声器失效。扬声器制造商通常采用称为三脚架的柔韧、纤维单元来使音圈在气隙中定心。包括三脚架要求在扬声器中具有另外的空间，这对于高频扬声器和非常小的全范围扬声器等音频扬声器是不可能的。

在过去25年，一些音频扬声器中的气隙已用磁性液体(也称为铁磁液体)填充。这些铁磁液体在高频扬声器、中频扬声器、低频扬声器、压缩驱动器和汽车扬声器中提供有效的性能优点。铁磁液体用于很广范围的应用，如音圈减震、传热、减少谐波失真、润滑、及在气隙中置中音圈。

铁磁液体的独特方面在于其在音圈上施加径向力的能力，这已被公知为置中力。该力的大小取决于扬声器的气隙中铁磁液体的磁化强度及磁通量强度。磁化强度和通量强度越高，径向力越大。径向力使得音圈在气隙中响应于音频信号振动时保持适当定心，从而不刮擦形成空隙的金属件如柱件和前板。

在1980年AES出版物、Bottenberg等人的、题为“扬声器设计参数对磁性液体的性质的依存关系”中，其也在1978年11月3-6日的音频工程协会的第61届大会上进行了介绍，作者导出了音圈两侧的间隙填充以铁磁液体的、1英寸圆顶高频扬声器的铁磁液体径向力的数学表达式。许多高频扬声器制造商现在均通过填充音圈两侧的气隙而利用铁磁液体的置中力，从而不需要机械置中装置即三脚架。

不幸地是，气隙中铁磁液体的使用导致其它问题。气隙连接到扬声器磁体和磁结构的不同组成部分之间的空腔。气隙中的铁磁液体充作音圈和磁结构之间的O环密封。空腔实质上被密封而与前板前面的空气空间断开。当音圈运动或当温度升高时，其趋向于增加该空腔内的气压。如果压力超出铁磁液体O环密封的压力容量的临界点，气体推开密封且相当大量的铁磁液体流出气隙。解决该问题的一种解决方案由美国专利5,335,287提出。

美国专利5,335,287(1994年，Athanas)公开了具有粘滞磁性液体悬置音圈的扬声器，而不是使用传统使用的波状圆盘悬置。特别设计的通风通道在磁体组件中形成以防止建立内部压力或产生低于大气压的条件从而避免导致磁性液体流出磁隙。该专利还公开了即使在要求更高偏移的低频扬声器情况下也不需要机械置中装置，其通过利用具有高磁化强度值如600-800高斯的铁磁液体填充音圈两侧的空隙实现。

当在音圈周围的气隙中使用铁磁液体时出现的其它问题包括音圈两侧的铁磁液体量的均衡(因为填充整个空隙是有问题的)及在音圈的防尘盖下面的气压的均衡。为解决这些问题，在音圈中邻近音圈的圆顶端组合多个通风开口，如美国专利4,414,437中所公开的。

美国专利4,414,437(1983年，Trauernicht等)公开了活动的音圈动力学变换器。电磁变换器(音圈)包括产生磁场并存在由磁场横过的气隙的单元、跨气隙延伸的大量磁性液体、及安装在活动音圈载体上以支撑穿过气隙的移动的活动音圈。活动音圈载体具有在音圈载体移过气隙的至少一部分移动期间位于与磁性液体相通的位置的至少一通道。通道允许磁性液体以气隙的方向从载体的一侧流到另一侧。这在音圈两侧提供了磁性液体的均衡。

因此，所需要的是一种使用铁磁液体置中音圈但不需要铁磁液体均衡通风开口的音频扬声器。还需要的是一种使用铁磁液体置中音圈但不需要铁磁液体均衡通风开口或不使用三脚架的音频扬声器。

发明内容

本发明的目标在于提供使用铁磁液体置中音圈但不需要铁磁液体均衡通风开口的音频扬声器。本发明的另一目标在于提供使用铁磁液体置中音圈但不需要铁磁液体均衡通风开口或不使用机械置中装置如三脚架的音频扬声器。本发明的另一目标在于提供使用铁磁液体置中具有低挥发性和比先前高偏移低频扬声器所需要的磁化强度低的音圈的音频扬声器。

本发明通过提供这样一种音频扬声器实现这些及其它目标：其具有驱动单元、振动系统及仅布置在音圈一侧和环形间隙表面之间的环形间隙中的磁性液体。驱动单元包括具有中央部分的支撑框架，其形成具有绕中央磁柱的环形间隙的磁结构。振动系统具有振动膜和音圈。音圈连到振动膜的一侧并可移动地安装在环形间隙内。振动膜的外周易曲地连接到支撑框架。音圈包括管状结构，在管状结构的外表面上具有电绕组。电绕组最好被轴向置中在环形间隙中。

本发明的主要特征在于仅在音圈的一侧放置磁性液体来产生保持音圈在环形间隙中置中的置中力，且不需要机械置中装置如三脚架。磁性流体位于音圈具有更高磁通量强度的那一侧的空间中。本发明的另一重要的方面在于防止磁性液体从音圈的一侧移到另一侧的需求。

应注意，磁隙或气隙可被视为具有较高磁场的间隙部分，这减小了跨该间隙到较低磁场的间隙部分的强度。磁性液体将自然地驻留在较高磁场的间隙部分中。然而，磁性液体将在位于较低磁场中的柱件的转角处移到较低磁场的间隙部分，除非间隙部分被分隔。本发明的音圈的管状结构被构造成保持间隙部分分隔并防止磁性液体移动的结构。

在一实施例中，驱动单元的磁结构为这样一种组件，其包括带有中央磁柱的底板、环形永久磁体和环形顶板。环形永久磁体夹在底板和环形顶板之间。底板和中央磁柱可由单件磁性材料制成或由两件及两件以上完整地连在一起的件制成以形成倒T形柱件。环形永久磁体被轴向极化，其中磁体的一面具有一种极性，另一面具有相反的极性。

中央磁柱从底板延伸穿过环形磁体和环形顶板内形成的中央空间从而形成中央定位的柱件。底板、环形顶板和中央磁柱由可磁化材料形成，同时环形永久磁体定义具有环形间隙的磁路。当音圈放置在环形间隙内的适当位置时，在音圈的外表面和环形顶板的内表面之间的空间比音圈的内表面和中央磁柱的外表面之间的空间具有更高的磁通量强度。

在本发明的该实施例中，磁性液体放置在音圈的外表面和环形顶板的内表面之间。该位置提供较磁性液体放在音圈两侧的现有技术音频扬声器中提供的最小置中力更大的置中力。

在本发明的另一实施例中，音频扬声器的磁结构包括最好带有圆柱形壁和底部的磁壳。中央磁柱从底部延伸穿过由磁壳的圆柱形壁形成的中央空间从而形成中央定位的柱件，其包括永久磁体和上柱件。与先前实施例中的磁体一样，中央磁柱中的永久磁体被轴向极化，磁体的一面为一种极性，而另一面为相反的极性。磁壳和上柱件由可磁化材料形成。磁壳和中央磁柱确定磁路，其在上柱件的外表面和圆柱形壁的内表面之间具有环形间隙。

当音圈放置在环形间隙内的适当位置时，音圈的内表面和中央磁柱的上柱件的外表面之间的空间比音圈的外表面和磁结构的圆柱形壁的内表面之间的空间具有更高的磁通量强度。这是因为永久磁体是中央磁柱的一部分。在本发明的该实施例中，磁性液体放置在音圈的内表面和中央磁柱的外表面之间。

本发明中使用的磁性液体最好具有在约100到约600高斯范围内的磁化强度。磁化强度的选择取决于磁性液体最适于实现足够的置中力。例如，具有高偏移音圈和低磁场的音频扬声器需要具有较高磁化强度值的磁性液体。具有低偏移音圈和高磁场的音频扬声器则需要具有较低磁化强度值的磁性液体。

一旦磁性液体置放在音圈具有更大磁通量强度的那一侧的空间中后，防止磁性液体移到音圈的另一侧也是很重要的。防止磁性液体移动的一种方法是延长组成音圈的管状结构。管状结构的长度应是足够的，使得磁性液体在音圈因振荡而发生最大偏移期间也不能在音圈的端部附近移动。此外，在具有穿过管状结构的通风开口以均衡气压的情况下，通风开口的位置必须使得在音圈因振荡而发生最大偏移期间磁性液体不会接触通风开口的边缘。如磁性液体移过通风开口将使本发明提供最大置中力的优点受挫。

应该理解，本发明的优点可被成功地结合在具有磁气隙的其它扬声器实施例中。一个例子为具有径向极化磁体的实施例，其中磁体的外径向表面为一种极性，而内径向表面为相反极性。本发明的关键方面在于，不管何种扬声器设计，磁性液体总是被添加到音圈具有更高磁通量强度的那一侧的磁隙部分中。

附图简要说明

图1为本发明一实施例的简化截面图，其示出了带有环形磁体的音频扬声器。

图2为本发明另一实施例的简化截面图，其示出了磁体组合在驱动单元的中央柱内的音频扬声器。

具体实施方式

本发明的优选实施例如图1-2中所示。图1示出了音频扬声器10的一实施例的简化截面图。音频扬声器10包括驱动单元20、振动系统60和磁性液体80。驱动单元20包括支撑框架22和中央部分24。中央部分24包括确定绕中央磁柱40的环形间隙28的磁结构26。

在该实施例中，磁结构26为具有带中央磁柱40的底板30、环形永久磁体32和环形顶板34的组件。底板30和中央磁柱40可由单件磁性材料制成或由两件或两件以上完整地连在一起。环形永久磁体32被轴向极化，磁体32的一面为一种极性，而磁体32的另一面为相反极性。磁体32夹在底板30和环形顶板34之间。

中央磁柱40从底板30延伸穿过环形磁体32和环形顶板34内形成的中央空间以形成中央定位的柱件。底板30、环形顶板34和柱40由可磁化材料形成，并连同环形磁体32一起确定磁路，其在柱40的侧面42和环形顶板34的内边缘35之间具有环形间隙28。

振动系统60包括振动膜62和音圈64。音圈64包括管状结构66和绕在管状结构66的外表面67上的电绕组70。音圈64在近端65a连接到振动膜，而远端65b包围中央磁柱40。电绕组70最好被轴向置中在环形间隙28中。所示绕组70为不带电状态。当交流信号施加到电绕组70上时，音圈64将从中性位置双向轴向振荡。

本发明的主要特征在于在环形间隙28中仅在音圈64的一侧部署粘滞磁性液体80。磁性液体80具有约100到约600高斯范围内的磁化强度，在约200到约500高斯范围内更好，最好在约300到约400高斯的范围内。在图1所示的实施例中，磁性液体80部署在音圈64的外表面67和环形顶板34的内边缘35之间。作为另一选择，磁性液体80可部署在音圈64的内表面68和磁柱40的外表面42之间。然而，在该实施例中，外表面67和环形顶板34的内边缘35之间的空间具有比管状结构66的内表面68和磁柱40的侧面42之间的环形间隙空间更高的磁通量强度。

发明人已发现，相较在音圈的两侧使用磁性液体置中音圈的音频扬声器，仅在音圈64的具有更高磁通量强度的那一侧放置磁性液体80将在音圈64上提供更大的置中力。实际上，在音圈两侧均使用磁性液体的音频扬声器中，磁性液体提供最小置中力。此外，仅在音圈64的具有较低磁通量强度的那一侧放置磁性液体将不提供明显的置中力。

本发明的另一特征在于磁性液体80不被允许从音圈60的较高磁通量强度侧移到音圈64的较低磁通量强度侧。因而，音圈64的管状结构66必须用防止磁性液体到达较低磁通量强度侧的材料和结构构造。

传统的管状结构由扁平材料件形成圆柱形状而制成，在材料的相对侧之间具有纵向裂口。此外，一些传统管状结构包括穿过管状结构的通风开口以使得气压均衡和/或音圈两侧的磁性液体均衡。

在本发明中，管状结构66必须或是整体壁的管或纵向裂口必须用将密封裂口的材料覆盖以有效地形成固体表面从而防止磁性液体80移动，因为其必须仅保留在音圈64的一侧。此外，本发明的管状结构66必须足够长以防止在音圈64振荡期间磁性液体80偶然从音圈64的一侧移到另一侧。通风开口可使用在本发明中，然而，通风开口的位置必须足够远离磁性液体80，使得在音圈64的最大振荡期间磁性液体80也不能到达通风开口的边缘。使磁性液体80移过通风开口将使本发明的优势受挫。

现在参考图2，其示出了本发明的另一实施例。在该实施例中，音频扬声器100包括驱动单元120、振动系统160和磁性液体180。驱动单元120包括支撑框架部分(未示出)及确定中央磁柱140周围的环形间隙138的磁结构126。

在该实施例中，磁结构126为具有磁壳127的组件，其最好带有圆柱形壁128和底部132。中央磁柱140包括永久磁体142和永久磁体142上方的柱件144。与图1中的相似部分一样，永久磁体142被轴向极化，磁体142的一面为一种极性，而磁体142的另一面为相反极性。中央磁柱140从底部132延伸穿过由圆柱形壁128形成的中央空间从而形成中央定位的柱件。磁壳127和柱件144由可磁化材料制成，并连同磁体142一起确定磁路，其在柱件144的外表面145和圆柱形壁128的内表面129之间具有环形间隙138。

振动系统160包括振动膜161、防尘盖162和音圈164。音圈164包括管状结构166和绕在管状结构166的外表面167上的电绕组170。在该实施例中，磁性液体180布置在柱件144的外表面145和音圈164的内表面168之间。柱件144的外表面145和音圈164的内表面168之间的空间为音圈164的具有较高磁通量强度的那一侧。这是因为永久磁体142形成中央磁柱140的一部分。管状结构166的外表面167和圆柱形壁128的内表面129之间的环形间隙空间具有较低的磁通量强度。

本发明可应用于所有类型的音频扬声器如高频扬声器、中频扬声器、低频扬声器、全范围扬声器等。气隙中的磁场及音圈偏移(即音圈的总振荡距离)因扬声器类型的不同而异。已发现，具有约100到约600高斯范围内的磁化强度的磁性液体最适于实现足够的置中力。一般地，具有高偏移音圈和低磁场的音频扬声器需要较高磁化强度值的磁性液体，即磁化强度值在指定范围的上面部分。具有低偏移和高磁场的音频扬声器需要较低磁化强度值的磁性液体，即磁化强度值在指定范围的下面部分。

尽管本发明的优选实施例已在此进行描述，但上面的描述仅是说明性的。那些各自领域的技术人员将可对在此公开的发明进行进一步修改，所有那些修改均视为在所附权利要求定义的发明范围内。

Claims (18)

1.音频扬声器，包括：

具有支撑框架(22)的驱动单元(10)，支撑框架具有形成磁结构(26)的中央部分(24)，所述磁结构确定中央磁柱(40)周围的环形间隙(28)；

具有振动膜(62)和音圈(64)的振动系统(60)，所述音圈连到所述振动膜的一侧，其中所述振动系统固定到所述支撑框架且所述音圈可移动地安装在所述环形间隙中；及

在所述环形间隙中仅布置在所述音圈一侧和所述环形间隙表面之间具有较高磁通量强度的那一空间中的磁性液体(80)。

2.根据权利要求1的音频扬声器，其中所述磁性流体具有100到600高斯范围内的磁化强度。

3.根据权利要求2的音频扬声器，其中所述磁性流体具有200到500高斯范围内的磁化强度。

4.根据权利要求3的音频扬声器，其中所述磁性流体具有300到400高斯范围内的磁化强度。

5.根据权利要求1的音频扬声器，其中当所述音频扬声器具有较高偏移音圈和较低磁场时所述磁性液体具有较高的磁化强度。

6.根据权利要求1的音频扬声器，其中当所述音频扬声器具有较低偏移音圈和较高磁场时所述磁性液体具有较低的磁化强度。

7.根据权利要求1的音频扬声器，其中所述音圈具有足够长的管状结构以防止在所述音圈的远端的所述磁性液体从所述音圈的所述一侧移到所述音圈的第二侧。

8.根据权利要求7的音频扬声器，其中所述音圈的所述管状结构具有固体表面。

9.根据权利要求1的音频扬声器，其中当环形磁体为所述磁结构的壁的一部分时，所述音圈的所述一侧在所述音圈的外表面和所述磁结构的径向内表面之间。

10.根据权利要求1的音频扬声器，其中当永久磁体为所述中央磁柱的一部分时，所述音圈的所述一侧在所述音圈的内表面和所述中央磁柱之间。

11.将振动系统装配到音频扬声器的驱动单元的方法，所述方法包括：

仅在位于驱动单元(20)的环形间隙(80)中的音圈(64)的一侧布置预定量的磁性液体(80)，其中所述一侧比所述音圈的另一侧具有更高的磁通量强度，所述音圈被构造成防止所述磁性液体移到所述音圈的另一侧；

使所述振动系统(60)与所述驱动单元对准，其中所述振动系统的所述音圈可移动地安装在所述环形间隙内；及

将所述振动系统固定到所述驱动单元。

12.根据权利要求11的方法，还包括获取具有100到600高斯范围内的磁化强度的磁性液体。

13.根据权利要求12的方法，还包括获取具有200到500高斯范围内的磁化强度的磁性液体。

14.根据权利要求13的方法，其中所述磁性液体获取步骤包括选择具有300到400高斯范围内磁化强度的磁性液体。

15.根据权利要求11的方法，其中所述磁性液体获取步骤包括当所述音频扬声器具有较高偏移音圈和较低磁场时选择具有较高磁化强度的磁性液体。

16.根据权利要求11的方法，其中所述磁性液体获取步骤包括当所述音频扬声器具有较低偏移音圈和较高磁场时选择具有较低磁化强度的磁性液体。

17.根据权利要求11的方法，还包括形成具有足够长管状结构的所述音圈以防止在所述音圈的远端的所述磁性液体从所述音圈具有较高磁通量强度的所述一侧移到所述音圈具有较低磁通量强度的第二侧。

18.根据权利要求11的方法，还包括形成其通风开口足够远离所述磁性液体的所述音圈以防止磁性液体在所述音圈振荡期间移动。

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