CN102714770A

CN102714770A - 用于振动致动器的悬挂部件

Info

Publication number: CN102714770A
Application number: CN2010800578863A
Authority: CN
Inventors: 马里亚·帕帕科里亚科; 雅斯帕·卢茨; 弗洛里安·朗
Original assignee: Knowles Electronics Asia Pte Ltd
Current assignee: Knowles Electronics Asia Pte Ltd
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2012-10-03
Also published as: EP2355544A1; US20130076162A1; EP2357849A2; EP2517479A1; WO2011077356A1

Abstract

一种用于悬挂振动致动器的质块元件的弹性悬挂部件。该悬挂部件配置为当质块位移时弹性地延伸以提供拉伸回复力。该悬挂部件由硅橡胶形成。

Description

用于振动致动器的悬挂部件

技术领域

本发明涉及振动致动器，更具体地，涉及适合用于移动电话或其他个人电子设备的振动致动器。

背景技术

在许多移动应用中用作闹铃或“安静”呼入通知的振动功能是通过在设备内电机械地激励质块(mass)来实现的。过去，这通常利用偏心质块的旋转来实现。致动装置是电动机。

最近，电动机由其中质块线性振荡的机械谐振器(质块弹簧系统)代替。典型地通过电磁激励，以其谐振频率驱动该系统。

该技术方案的一个优点是振动致动器可以与电动式扬声器共用元件。驱动扬声器所需的强磁体系统也可以包括用于振动器的质块，导致总成本的降低和更有效地使用移动设备内的空间。

采用机械谐振器的已知振动器包括由金属制成的平面(板)弹簧元件。这种弹簧在谐振频率具有较小的阻尼效果。该设备的重要机械特性，如谐振频率和质块的最大偏移，也对弹簧的物理尺寸的变化高度敏感。结果，金属弹簧具有相对薄的、复杂的且专门的几何形状，必须非常精确地制造以获得一致性的产品。此外，通过从金属片冲压而制造弹簧元件，这(在材料的浪费方面)是相对低效的并且是昂贵的。

已经提出借助于附加的手段(如空气阻尼)或者利用弹簧元件和框架之间的合适阻尼物质来获得所需的阻尼。例如，可以使用粘性粘合剂将弹簧附加到框架。另一种替代方式是偏移的刚性机械限制。

JP 2002 345061公开了一种体感声学设备，其中通过由橡胶制成的围绕物将磁路附加到背壳。围绕物是没有任何开口的连续环状膜。

US 6,618,487公开了一种电动式惯性振动激励器，具有由弹性环状悬挂膜悬挂的磁体组件，该弹性环状悬挂膜例如是橡胶之类的材料。这也形成为没有任何开口。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种弹性悬挂部件，用于从框架悬挂振动致动器的质块元件，其特征在于：

悬挂部件由硅橡胶形成。

与其他类型的橡胶相比，硅橡胶的弹性模量在温度变化的条件下更加稳定。这意味着该系统的机械性能将保持基本恒定，而不论工作温度如何改变。

优选地，悬挂部件包括用于连接质块元件和框架的多个支撑臂；和/或悬挂部件限定具有内周边和外周边的连续环，并且包括在内周边和外周边之间的多个孔。

具有与该限定匹配的形状的悬挂部件不是连续膜或实心(solid)膜，而是在其不同部分具有开口。在一种情形中，分立的臂之间的空间限定开口；在另一种情形中，连续环中的孔限定开口。

也即，优选地，质块元件、框架和悬挂部件(在一个或多个部分中)配合以限定多个开口。开口可以仅由悬挂部件限定，在这种情形中，包括悬挂部件中的开口。替代地，开口可以在悬挂部件的边缘和质块和/或框架之间延伸，在这种情形中开口如上所述限定多个支撑臂。

当将实心膜(例如，在US 6,618,487中的那样)用于悬挂质块元件时，膜的材料必须延展以允许质块移动。相反，具有开口的硅树脂悬挂部件可以设计为延展(延伸)或弯折(弯曲)，或者优选地两者皆可，以允许质块位移。这也可以允许对质块的动态行为进行更多的控制。

已知在金属弹簧中提供开口。然而，开口还没有预先应用到硅树脂悬挂部件。金属弹簧明显地不能形成为实心膜，因为诸如钢的金属的弹性模量过高。结果，绝对必要的是包含一些开口将金属削弱到对于用作弹簧足够柔韧的程度。然后金属弹簧在弯曲模式下工作。

相反，因为其弹性模量较低，橡胶膜足够柔韧而不需要包含开口。因此，过去在设计中没有理由包含开口。

本发明人认识到在硅树脂悬挂部件中提供开口使得能够控制质块元件的动力学以获得更多的优点。这是因为具有开口的硅树脂部件能够在位移的有用范围内以两种不同的弹性变形模式(或者两种模式的叠加)工作。

在金属弹簧中，不论是否存在开口，弹性的延伸模式是不可用的，因为这种模式需要太大的作用力以产生金属的弹性延伸。也即，金属弹簧中的开口与本发明的硅树脂部件中的开口相比满足不同的目的。

不同于金属弹簧，本发明的悬挂部件弹性延展，所产生的拉伸提供作用为将质块回复到其中间位置(neutral position)的力。

在已知的振动致动器中使用的金属弹簧通过弹性地弯折(弯曲)工作，如常规的螺旋弹簧或板弹簧。这反映了典型的金属的机械性质，其弹性模量过高而不能通过延展获得实质的位移。高弹性模量(也已知为杨氏模量)还意味着已知的金属弹簧需要很薄以通过弯折获得足够的位移。需要精确地控制较薄的金属弹簧的厚度使得可靠地制造已知的弹簧困难且昂贵。因此，通过材料的延伸而工作的悬挂部件可能比仅仅通过弯折而工作的悬挂部件更便宜且容易地制造。

优选地，悬挂部件表现出渐进弹簧特性。

此处，渐进弹簧特性意味着由悬挂部件施加的回复(抵抗)力的增加偏离与质块位移的线性比例。这与基本上线性的常规金属弹簧的弹簧特性相反。因而，渐进悬挂部件的特性回复力-位移曲线是非线性的。以不同的项定义该曲线：回复力的增加率在较小的位移处低，而在较大的位移处较高。这种特性有利于保持振荡质块的偏移稳定，而不需要独立的阻尼措施。这允许最大化利用用于移动质块元件的可用空间，而避免了质块和设备的其他部分之间的碰撞。这种碰撞可能减小工作的寿命期以及导致不期望的声音。如果可以去除对独立的阻尼措施的需要，则整个设备的成本也可以降低。

优选地，悬挂部件配置为当质块位移第一距离时弹性地弯曲，以提供弯曲回复力；以及当质块位移更大的第二距离时弹性地延伸，以提供拉伸回复力，其中，拉伸回复力随质块位移增加的增加率大于弯曲回复力的增加率。

此处，悬挂部件的偏移包括两种变形模式。在第一种模式中，对于较小的偏移，悬挂部件弯折(弯曲)。在偏移(位移)增加时，变形改变为第二模式，其中悬挂部件延展。延伸变形(延展)导致比弯曲变形更强的回复力。这提供了实现如上所述的渐进弹簧常数的一种有益方式。

这种具有两种变形模式的特征曲线在悬挂部件用于组合的扬声器和振动致动器的情形中特别有用。提供给扬声器的音频信号将激励质块的小幅度振动。然后，悬挂部件将主要以弯曲模式变形。在该模式中，回复力-位移曲线可能是实质上线性的。这是有益的，因为这可以导致声音的线性重现以及因此的低的总谐波失真(THD)。

当施加大幅度的振动信号(以使致动器振动或蜂鸣)时，悬挂部件移动至线性的弯曲模式之外，进入延伸模式。因为延展导致回复力更快地增加，这允许更大的位移，并且表现出硬化的或者渐进的特征。这种(相对于递增的位移的)增加的回复力导致稳定的自限制振动。因为振动器的驱动越硬其抵抗越强，该最大偏移受到更好的控制。

同时，由于与金属相比硅树脂的材料阻尼更大，振动是阻尼的。这些效果一起实现了质块元件的动力学的优异控制。更大的阻尼对应于设计上的更低的品质(Q)因子。优选地，根据该实施例的硅树脂悬挂部件的Q因子在15-20的范围内。

注意，通过考虑在悬挂部件的截面上作用的力，可以分辨弯曲和延伸：当弯曲时，悬挂部件的凸侧延伸而凹侧压缩，当延伸时，悬挂部件的两侧均延伸。可以通过悬挂部件的不同部分提供弯曲和延伸，或者可以通过相同的部分提供弯曲和延伸。

悬挂部件由杨氏模量小于50MPa的硅树脂材料形成，优选地小于20MPa。

低弹性模量是有益的，因为这允许悬挂部件采用较厚的材料来制造。这典型地意味着在制造期间的精度要求可以放松，因为对于相同的百分比的容限可以接受厚度上的更大的绝对变化。也即，悬挂部件对于制造工艺变化更鲁棒。(此处，在室温下测量弹性模量。)

悬挂部件的材料是硅橡胶。

诸如硅树脂的弹性体具有在1至50MPa范围内的典型弹性模量。这允许较厚的悬挂部件通过弯曲和延伸变形而工作。具体地，对于硅树脂，弹性模量对于温度的变化是稳定的。这意味着悬挂部件的机械特性在工作温度范围上可以是实质上恒定的。在下文中讨论弹性体的进一步的优点。

悬挂部件可以配置为从框架通过质块元件的周边来悬挂质块元件，其中质块和框架同轴布置，并且质块可以沿着轴向相对于框架位移。

质块和框架可以具有圆形的周边，在这种情形中该布置使得质块和框架的同心安装。

悬挂部件可以包括用于连接质块和框架的多个支撑臂。

支撑臂可以在质块和框架之间径向延伸。

悬挂部件可以限定具有内周边和外周边的连续环，并且在内周边和外周边之间还可以包括多个孔。

优选地，孔占据内周边和外周边之间超过15％的面积。如果孔过小，则悬挂部件可能不能正确地提供双模式变形，因为即使对于质块的小位移悬挂部件的材料也将延展。

因而，悬挂部件包括位于质块和框架之间的环或带。该环可以是环形的。孔的数量、尺寸、形状和位置可以用于进一步调整系统的振动特性。这提供了附加的设计自由度。孔也可以提供通气功能，尤其在将振动致动器与电动式扬声器集成为单个元件时。

可以相对于内周边和外周边中的至少一个等距地布置孔。

这提供了对称布置，趋向于自动平衡悬挂部件的材料中的力。孔可以是圆形的。

优选地，围绕内周边或外周边实质上均匀地间隔开孔。

这也有利于力的对称分布。

优选地，悬挂部件的形状设置为使得当质块沿轴向位移时，由悬挂部件施加的任何切向力被平衡。

优选地，在质块位移时不旋转。也即，质块的移动应当是纯线性移动，而没有任何旋转元件。然而，当使用已知的金属弹簧时，将质块安装在全部类似地相对于径向成角度的臂上。这意味着当质块沿轴向位移时，臂的弯曲导致质块的旋转，并且由弯曲臂施加的回复力包括周边(切向)分量。在该情形中，这通过确保切向力或者消除，或者如果未消除也至少被平衡而得以避免。

该悬挂部件还可以包括在悬挂部件的松弛状态具有拱形截面的至少一个部分。

悬挂部件在其中间的松弛配置中是弯折或折叠的。该至少一个拱形部分还有利于悬挂部件的两种弹性模式。在质块位移时，拱形部分变平和变直，以提供弯曲回复力。在质块进一步位移时，变平的部分也必须延伸，以提供延伸回复力。

根据本发明的另一方面，提供一种振动致动器，包括：框架；质块元件，通过如上所述的弹性悬挂部件可移动地连接至框架；以及致动装置，用于激励质块和本体的相对移动。

质块元件可以与本体同轴地悬挂。这提供了对称的悬挂布置。

致动装置可以是电磁致动装置；质块元件可以包括磁体；以及磁体还可以包括扬声器的一部分。

如果扬声器和振动功能组合在单个设备中，本发明的悬挂部件尤其有益，因为这允许精确且可靠地控制最大偏移。这使得更高效地利用移动设备中的有限空间(体积)。如果悬挂部件具有渐近弹簧特征，则这在振动和音频功能使用共用的元件时尤其有益，因为即使在同时使用这些功能时磁体系统的偏移也可以保持稳定。正如上面已经注意到的那样，在组合扬声器和振动器功能时双模式弹性变形(弯曲之后延伸)也是尤其有益的。

根据本发明的另一方面，提供一种个人移动通信设备，包括如上所述的振动致动器。

根据本发明，悬挂部件的材料是硅树脂。这种材料具有高本征阻尼，并且有利地还具有高的温度稳定性。此外，通过弹性体而不是金属弹簧悬挂质块元件使得悬挂部件能够更厚并具有对制造变化不敏感的机械性能。硅树脂表现出特别良好的温度稳定性，尤其是与用于在已知的振动致动器中阻尼的粘性粘合剂相比。因此，诸如柔韧性(给定作用力产生的位移量)、谐振频率和阻尼性能的机械参数不随温度发生明显的变化。这确保在设备的工作温度范围上更一致的行为。可以通过诸如注射成型的技术制造弹性体环，注射成型比用于金属弹簧的冲压工艺更简单且更便宜。

悬挂部件可以是板弹簧。也即，悬挂部件可以在其松弛状态是实质上平面状的。

附图说明

现在将参照附图以示例的方式描述本发明，其中：

图1示意性地说明振动致动器的结构。

图2示出根据现有技术的用于图1中的振动致动器的金属板弹簧。

图3在平面图和正视图中示出根据本发明的第一实施例的悬挂部件。

图4在截面图和平面图中示出根据第二实施例的悬挂部件。

具体实施方式

图1示出振动致动器。这包括悬挂在框架或篮组件20中的质块元件10、12、14、16。通过弹簧30从框架悬挂可移动质块。质块包括磁性系统，该磁性系统包括磁体10、重物(weight)12、顶板14和罐状物(pot)16。弹簧30是弹性悬挂部件，该部件允许质块元件在框架内振荡(沿垂直方向，如图1所示)。

在图2中更详细地示出已知的弹簧。该弹簧包括由三个臂36连接的内环32和外环34。质块附加到内环32，而外环34附加到框架。臂36的弯曲使得质块能够在板弹簧30的平面外振荡。然而，臂36的不对称导致在弹簧平面内的旋转运动。在这种情形中金属弹簧的厚度小于100微米(0.1毫米)。这样薄的厚度使得金属弹簧对工艺变化敏感：从标称尺寸的小绝对值偏差可以导致机械特性的明显偏差。

图3示出根据本发明的第一实施例的悬挂部件100的示例。选择形状和尺寸，使得该悬挂部件100可以代替金属弹簧30，不必对振动致动器的其他元件进行实质的修改。悬挂部件100包括平面状的硅树脂环形环。在该示例中，材料是Elastosil SL 3003/60。这具有60的肖氏A级硬度以及大约4MPa的弹性模量。在图中以毫米为度量。硅树脂环为0.35毫米厚。其内径为10.7毫米，外径为17毫米。在该示例中，内周边110和外周边120是圆形的且同心。十五个直径1.5毫米的孔均匀地分布在环周围，与内周边110稍间隔开。相邻孔之间的角间隔是24°。

图3示出处于其松弛的中间形状的悬挂部件。当质块相对于框架20位移时，悬挂部件100弹性变形。开始，硅树脂弹性弯曲，使得每一个孔的圆形形状变形。该弯曲产生弱回复力，作用为使质块返回其中间位置。当质块的位移增加时，悬挂部件进入第二变形模式。在该模式中，硅树脂弹性延伸，平面状环延展成截锥形状。材料的延伸使得回复力以比悬挂部件100仅仅弯曲时更快的速率增加。这导致渐进的硬化的弹簧特性。

图4示出根据本发明的第二实施例的悬挂部件200的示例。这可以看作包括第一环形内环210和第二环形外环220。通过五个臂235按照同心的布置可移动地且弹性地连接这些环。每一个臂由硅树脂的网(web)组成，在平面图中形成环形段或条带。每一个网段的张角是42°并且沿径向具有实质上均匀的拱形截面。硅树脂的厚度是0.25毫米，并且拱形具有大约0.5毫米的半径。内环的外径是11.6毫米，而外环的内径是14.8毫米。悬挂部件200的内周边和外周边与第一实施例相同。然而，在该实施例中硅树脂材料是Elastosil SL 3003/80。这具有80的肖氏A级硬度以及大约12MPa的弹性模量。注意，图4中的上部图示出沿下部图中示出的水平线穿过悬挂部件的截面。

在第二实施例中，拱形臂235有利于初始的弯折变形模式。在质块位移时，材料首先弯折，使得在径向平面中，臂235的曲线型的截面逐渐变直。最终，臂235是直的，并且在截锥的壁中形成区段。此时，质块的进一步位移不能由弯折来适应。代替地，臂235开始弹性延伸。这提供了该实施例中的第二变形模式，并且导致悬挂部件200的渐进弹簧特性。

可以在一个步骤中(例如通过注射成型)容易且便宜地制造任一实施例的悬挂部件。与图2的已知金属弹簧设计相比，环可以更厚，并且对制造容限更鲁棒。硅树脂提供了高材料阻尼，并且还提供了良好的温度稳定性。这意味着诸如柔韧性、谐振频率和阻尼性能的参数不会随温度明显变化，以确保在整个工作温度范围的均匀行为。因为这些实施例的悬挂部件具有渐进弹簧特性，在振动致动器中不需要附加的阻尼装置。而且，因为质块的偏移受到精确地控制，可以实现对可用体积的最佳利用。(也即，不需要提供大的误差裕量以适应未预期的大幅度振动)。

图5说明图2的金属弹簧以及图3和4的实施例的回复力-位移曲线。回复力(以牛顿为单位)位于x轴上，质块的位移(以毫米为单位)位于y轴上。金属弹簧的曲线310是实质上线性的。

图3的硅树脂悬挂部件的曲线320是渐进的(变硬)。在小位移处，它大致地符合金属弹簧的线性特性310。然而，在回复力增加时，所产生的递增位移减小。也即，曲线的斜率变平。这表明回复力如何增加偏离与位移的线性比例。

图4的硅树脂悬挂部件的曲线330在小数值的回复力和位移处具有轻微增加的斜率。这对应于轻微软化或“反渐进的”特性。然而，在该区域中，非线性是轻微的并且曲线可以近似为线性。在该区域中，悬挂部件以弯曲模式变形。对于更大的回复力，曲线通过一个拐点并且变成渐进的(较浅的斜率)。该阶段对应于变形的偏移模式，如同前面上文解释的那样。

图5中示出的曲线320和330特别适合于组合扬声器和振动器功能的设备。在线性(小位移)区域，THD最小化。同时，在曲线更渐进的部分(大位移)，回复力增加而振荡受到阻尼，以控制偏移。最大期望偏移大约是0.8毫米。

尽管已经在附图和前述的说明书中详细说明和描述了本发明，但这样的说明和描述认为是说明性的或示例性的，而非限制性的，本发明不限于所公开的实施例。

例如，在描述的实施例中，将悬挂部件的内周边连接至外周边的臂径向布置。然而，这并非必须的。连接臂或网可以与径向成非零角度取向。然而，仍然有益的是臂施加的净力位于径向平面中，即周边(切向)力被平衡。这确保在质块沿径向移动(在悬挂部件的平面外)时，质块不发生旋转。从而，所得到的运动应当是纯线性运动。

图3示出了包括位于环形悬挂部件中的多个孔的实施例。在其他实施例中，可以有附加组的孔。例如，在一些实施例中，可以有两组或更多组的孔，每组位于不同的半径上。优选地，与(沿径向)相邻组的孔的中心相比，一组孔的中心沿周边方向偏移。这些孔可以具有不同于圆形的形状。这些形状在纵横比方面可以是偏心的或不是偏心的。具体地，这些孔可以沿周边方向拉长。

本领域的技术人员在实现该要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和所附的权利要求，可以理解和实现所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一个”不排除多个。权利要求中的任何参考标记不应理解为限制范围。

Claims

1.一种弹性悬挂部件，用于从框架悬挂振动致动器的质块元件，其特征在于：

悬挂部件由硅橡胶形成。

2.根据权利要求1所述的弹性悬挂部件，其中：

所述悬挂部件包括用于连接质块元件和框架的多个支撑臂；和/或

所述悬挂部件限定具有内周边和外周边的连续环，并且在内周边和外周边之间包括多个孔。

3.根据权利要求1或2所述的弹性悬挂部件，其中所述悬挂部件表现出渐进弹簧特性。

4.根据权利要求3所述的弹性悬挂部件，悬挂部件配置为：

当质块位移第一距离时，弹性地弯曲以提供弯曲回复力；以及

当质块位移更大的第二距离时，弹性地延伸以提供拉伸回复力，

其中，拉伸回复力随质块位移增加的增加率大于弯曲回复力的增加率。

5.根据任一项前述权利要求所述的悬挂部件，配置为从框架通过质块元件的周边来悬挂质块元件，其中质块和框架同轴布置，并且质块可以沿着轴向相对于框架位移。

6.根据任一项前述权利要求所述的悬挂部件，限定具有内周边和外周边的连续环，并且在内周边和外周边之间包括多个孔，

其中，相对于内周边和外周边中至少之一等距地布置孔。

7.根据任一项前述权利要求所述的悬挂部件，限定具有内周边和外周边的连续环，并且在内周边和外周边之间包括多个孔，

其中围绕内周边或外周边实质上均匀地间隔开孔。

8.根据任一项前述权利要求所述的悬挂部件，形状设置为使得当质块沿轴向位移时，由悬挂部件施加的任何切向力被平衡。

9.根据任一项前述权利要求所述的悬挂部件，进一步包括在悬挂部件的松弛状态具有拱形截面的至少一个部分。

10.根据任一项前述权利要求的悬挂部件，具有至少0.1mm的厚度。

11.根据任一项前述权利要求的悬挂部件，具有在15至20范围内的Q因子。

12.一种振动致动器，包括：

框架；

质块元件，通过根据任一项前述权利要求的弹性悬挂部件可移动地连接至框架；以及

致动装置，用于激励质块和本体的相对移动。

13.根据权利要求12所述的振动致动器，其中：

致动装置是电磁致动装置；

质块元件包括磁体；以及

磁体还包括扬声器的一部分。

14.一种个人移动通信设备，包括根据权利要求12或13所述的振动致动器。