CN103262574A - 便携式电子装置 - Google Patents

Abstract

一种便携式电子装置包括自由浮动显示透镜，自由浮动显示透镜具有安装在自由浮动显示透镜外围区域或边缘上的加强环，以影响自由浮动显示透镜的模态密度和模态分布。此外，压电支撑结构附连到加强环，同时包围显示器，其中通过电方式驱动压电支撑结构，以在一个模式中产生声学信号，在另一个模式中产生振动触觉信号。

Description

便携式电子装置

技术领域

本发明一般地涉及将便携式电子装置的显示透镜用作声学设备，同时仍然允许大的可视区域用于显示。更具体地，通过电信号来驱动显示透镜，以产生具体用于私人和扬声电话模式的交谈的基本上可用的音频区域。此外，基本上可用的音频区域还可以提供触觉反馈。

背景技术

传统地，通过电话的工业设计和期望的可视显示区域来驱动诸如移动电话的便携式电子装置的显示透镜的尺寸。因此，显示透镜通常不被认为是声学设备或扬声器。这多半是因为本领域技术人员长期认为显示透镜通常由于其物理尺寸而具有不良的动态响应。

传统移动电话显示透镜的配置在电话的音频带内具有非常多并且集合在一起的机械模式。动态扬声器的任何设计者都希望在电话的音频带内具有尽可能少的这些机械模式（活塞模式例外）。为了提供显示透镜的驱动表面的最平滑的频率响应，设计者非常希望这些机械模式尽可能均匀分隔。通常，移动电话的前表面的具有接近小的整数比率，例如3:2、4:3和16:9，的尺寸，并且在最差的情况下是2:1。例如，对于2:1的比率，现今市场上一种流行的电话具有大约50mm×100mm的显示透镜。这些低整数比率导致在音频带的特定区域中聚集在一起的机械模式。图1是现有技术玻璃透镜模态分布的图示，其示出特定机械模式在频域内位于何处。

在图1中，每条垂直线表示处于该线与水平轴交叉的频率处的模式。在4kHz电话音频带内有14个模式，并且由于显示透镜的尺寸比例，这些模式中的一些往往聚集在一起。在电话的显示透镜被机械地驱动之后，在1kHz处，激光振动计在彼此相距很少的Hz内检测到两个模式。

因此，为了产生声学信号，需要克服在显示透镜被机械地激励时显示透镜的该示例性模式聚集以及得到的不良动态响应。

附图说明

图1示出了现有技术的玻璃透镜模态分布的示意图；

图2示出了与恒定截面加强环相对应的模态分布；

图3示出了与具有选择性加强环的显示透镜相对应的模态分布；

图4示出了显示透镜周围的示例性刚性环；

图5示出了模态分布的波腹的示例性图示；

图6示出了压电结构的示例性层叠实施例；

图7示出了换能器和悬置的示例性分离的分解图；

图8A示出了声学悬置密封件的一个示例性实施例的图示；

图8B示出了声学悬置密封件的另一个示例性实施例的图示；

图8C示出了声学悬置密封件的再一个示例性实施例的图示；

图8D示出了声学悬置密封件的又一个示例性实施例的图示；

图8E示出了包括层叠衬垫结构的声学悬置密封件的一个示例性实施例的图示；

图9示出了与期望的目标触觉响应相关的测量的触觉响应的曲线图；

图10示出了自由浮动的透镜系统和固定透镜系统的响应比较。

图11示出了在私人使用模式中通过耳朵模拟器测量时一个示例性实施例的声学响应。

图12A示出了自由安装换能器的示例性系统；

图12B示出了以固定方式安装换能器的示例性系统；

图13A示出了以活塞方式驱动的自由安装盘的运动。

图13B示出了以弯曲方式驱动的自由安装盘的运动。

图13C示出了以活塞方式驱动、但是表现出弯曲行为的关于其周围固定的盘的运动。

具体实施方式

这里所描述的便携式电子装置包括自由浮动显示透镜，该自由浮动显示透镜具有在自由浮动显示透镜的周围区域或边缘上安装的加强环，以影响自由浮动显示透镜的模态密度和模态分布。此外，压电支撑结构被附连到加强环。压电支撑结构包围显示器，并且被电驱动以在一个模式中产生声学信号，而在另一个模式中产生振动触觉信号。

参考图2，通过在例如移动电话、笔记本计算机或者平板便携式计算机的便携式电子装置的显示透镜的外边缘周围添加刚性环或加强环来改善显示透镜的模态密度和模态分布。该刚性环用于加强整个显示透镜而导致显示透镜模式的向上移位，并且下面被称作加强环。加强环的使用允许在加强显示透镜和挡住大部分显示透镜区域之间的最优平衡，挡住大部分显示透镜区域将缩小用于显示的开口。因此，图2示出了在移动电话的音频带中恒定截面加强环对显示透镜模式的影响。注意，向上移位之后音频带中仅剩下9个模式。然而，仅恒定截面的刚性加强环仅对玻璃的模式向上移位，而不影响这些模式的分布。如可以在图2中看到的，在约1700-1800Hz处，至少两个模式保持接近在一起。

参考图3，需要除了将加强环放在显示透镜外边缘周围之外的其他方法来处理很少的赫兹内两个或多个模式聚集的情况。扩展这些群集模式的一种示例性方法是通过选择性地加厚加强环的部分或片段来额外加强透镜的外边缘。

加厚加强环的位置或点与人们希望移位的独立模式相关。通常，对于给定模式，加强环/显示透镜组合的边缘的变形中最大应力或变化的点受到影响。具体地，变形中最大改变的这些点处于模式的波节和波腹。通过对于少数模式选择性地加厚高应力点周围的区域，可以在不显著影响其他模式的共振的情况下移位这些模式的频率。图3示出了选择性加厚加强环的结果。

很明显，图3示出了：通过选择性加厚加强环的处理，共振被移位为更加均匀地分布模式本身，并且甚至将一个附加模式移位到音频带外；因此，在电话的整个音频带上只留下了8个模式。结果，图3示出了通过带内模式43%的减少以及更均匀的分布的对原始透镜的完全改善。

参考图4，示出了显示透镜402周围的示例性刚性环400。刚性环400包括例如外边缘404以及相对于其他薄片段408选择性加厚的内部肋406。如上参考图3所述，加厚加强环的肋406与人们期望移位的独立模式相关。图5示出了示例性模式500以及与节线506、508相交的模式500的波腹501、502、503、504。因此，偏转峰被示出为环，并且由切线和梯度示出。再次，变形中最大改变的点处于模式的波节和波腹。

参考图6，示出了层叠衬垫结构600的示例性实施例。示例性层叠衬垫结构600至少包括两个衬垫层602和604，该两个衬垫层602和604夹住或包围一个或多个压电弯曲件606。用作支撑结构的刚性或半刚性支架（standoff）610位于层叠衬垫结构600的剪切件中，以将来自压电弯曲件606的弯曲运动直接耦合到透镜组件608。透镜组件608可以包括加强环。在一个实施例中，衬垫602和604服帖地足以使得透镜结构608能够相对于外壳612自由移动，同时还向被驱动的系统的第一活塞模式提供足够的阻尼。换能器的活塞模式是整个透镜和加强环在表面没有一点弯曲的情况下上下移动的模式。

图7示出了本发明的示例性实施例的分解图；在罩结构内实现驱动器。加强环702包括加强环702周围的分立点704，以通过进一步分布模式来控制模态行为，同时允许透镜延伸到诸如移动电话或平板PC的具有透镜706的电子装置的边缘附近，并且仍然允许电子装置包括侧按钮。因此，驱动结构不需要完全包围显示器，如在前述层叠衬垫设备中的典型情况。这里所描述的新颖结构允许到驱动元件的长很多的悬臂，因此造成了更多的机械放大。

图7中所示的实施例还包括与支撑结构710紧密接触的压电弯曲件708，例如其中压电弯曲件708被安装到支撑结构710。可以是金属载架的支撑结构710例如可以被构造为用作换能器支撑和显示器罩二者。支撑结构710的臂在显示器707周围弯曲，并且被安装到透镜706上的加强环702。而且，支撑结构710刚性地附连到显示装置的外壳712，以形成机械基座（ground）。

因为透镜706需要相对于机械基座自由浮动和移动，所以附连到透镜706上的加强环702的支撑结构710还附连到装置700的机械基座。显示器707和用户接口控制器（未示出）也附连到相同的机械基座。机械基座可以替代地是骨架结构，诸如具有附连到外侧的美感的外壳的内骨架，或者外壳也可以用作骨架结构。具有附连组件的骨架结构成为透镜将从其移动的非移动机械基座。

在层叠衬垫或罩/载架的情况下，在多个点进行驱动可以进一步减少透镜模式的影响。如果两个弯曲件用于驱动透镜结构，则驱动点可以位于具有相反振幅的模式的波腹。同相驱动这些波腹的效果将消除在驱动位置具有相反波腹的模式。这种模式的示例在图9中示出。如果在箭头所示的驱动点由两个弯曲件驱动，实际上可以消除这种模式。

图7中所示实施例通过防止碎片进入装置的包围件来进一步增强。此外，包围件实现了透镜的悬置并且提供阻尼。图8示出了声学悬置密封件（即，包围件）的多个说明性实施例。图8A至图8E示出了垂直截面视图。在图8A至图8E中，每个实施例至少包括透镜802、显示器804和外壳806。

图8A示出了在静止时平坦而在透镜802上下移动时伸展的薄的可伸展弹性体808。图8B示出了半滚动弹性体包围件810。半滚动弹性体包围件810可以在外壳806或者透镜802的外侧超模塑，如图8B所示。替代地，可以将半滚动弹性体包围件810安装到前述加强环，并且因此在透镜802周围仅示出了薄间隙的情况下驻留在装置内部。

图8C示出了沿着整个加强环以将透镜802密封到外壳806的压缩衬垫812。图8C示出了本发明的金属载架实施方式，但是这种相同的包围件方案可以与图8E所示的第一层叠实施方式一起来使用。

在另一实施例中，图8D示出了附连到间隙一侧但是沿着另一侧滑动的可压缩滑块（wiper）814。该滑块可以附连到外壳并且沿着加强环和透镜自由滑动，或者可以稳固地附连到加强环/透镜子组件并且沿着外壳自由滑动。在图8E中示出了包围件的层叠实施方式。层叠包括压电元件。

图9示出了本发明的实施方式的预料不到的结果。关于触觉响应，这里所述的概念不仅超过了目标水平，而且超过了以低得多的驱动水平对压电触觉的尝试。注意，图9示出了使用4.88V的峰间信号的三种不同方法下的触觉测量。先前的方法至少需要高于8倍的电压驱动信号。另一重要结果是，触觉响应在装置的触摸表面上实际上是均匀的，并且与先前已知的实施方式相比振幅更高。

图10示出了透镜自由移动相对于在其周围刚性粘附的优点。曲线示出了在这里描述的自由浮动透镜发明与现有技术公知的传统固定透镜系统之间表面加速度的差异。表面加速度可以与活塞装置的声学输出相关。图10示出了相对于现有技术的在较低频率处灵敏度可以有多达50dB的改善。

与先前的尝试相比，为了音频目的驱动透镜或显示器，该新发明的音频性能有若干优点。第一优点是，自由安装的透镜允许明显更低的第一共振。与先前的压电驱动扬声电话相比，这差不多可以低三个八度，并且与传统的动圈式动态扬声电话相比，这差不多低两个八度。第二优点是，输出水平明显高于先前的压电驱动扬声电话。图10示出了这种新发明在300Hz处效率高了50dB，在1kHz处效率高了32dB，并且在4kHz处效率高了7dB。该换能器效率的增加将允许通过现有的放大器芯片以及远远超过普通手持扬声电话的带宽来产生扬声电话音频。

除了扬声电话特性之外，对于表面上的机械负载，振动非常强烈，使得本发明不仅可用作扬声电话，而且可用作触觉装置（又称为振动触觉装置）和耳机。

现在参考图11，进入耳朵耦合器中的换能器的原始输出频率响应处于容易通过较小的音频整形来校正的点。在没有明显电校正和动态范围损失的情况下，通过先前已知的玻璃上压电技术，这是不可能的。因此，这是能够产生压电表面驱动方案并且提供可接受的下行链路音频的第一实例。

为了将便携式装置的表面用作声音产生元件而研究的过去的驱动方法一般属于两种常规方法中的一个。这两种方法可以被归类为具有自由安装的驱动换能器或者具有固定安装的驱动换能器。自由安装的驱动换能器使换能器的一侧安装到活动表面，而换能器的第二侧在空中自由浮动。根据换能方法和表面附连到装置的方法，可以以活塞方式或者以弯曲方式来驱动表面。诸如自由浮动显示透镜的自由安装的表面没有关于其周围被刚性固定，并且允许像活塞那样移动。具有固定外边缘的表面不能像活塞那样移动，而只能以弯曲方式移动。在MFT（多功能换能器）系统或者DML（分布模式扩音器）系统的情况下，换能器具有相对于辐射表面被驱动的簧上质量。根据安装，该方法将具有活塞运动和弯曲运动的变量。这种系统的缺点在于换能的相对低效，因为换能器与辐射表面质量相等或更小，大部分能量在声腔中来回驱动换能器的马达结构中损失。“自由”安装的换能器系统的另一种类型不依赖于换能器的质量来激励辐射表面，而是替代地依赖于与换能器的弯曲模式相对应的表面弯曲。在该情况下，压电换能器一侧安装到辐射结构的表面，而另一侧自由移动。该驱动方案与活塞驱动方案相比，固有地效率更低，因为换能器不仅必须移动辐射表面的重量，而且必须对抗材料的分子力，以使其弯曲。

与上述自由安装的换能器相反，驱动表面的更有效的方法是通过固定安装的换能器或者有基座的换能器。在固定换能器的情况下，换能器一侧安装到辐射表面，并且换能器另一侧安装到外壳或骨架结构，外壳或骨架结构实际上是机械基座结构，因为外壳或骨架结构比辐射表面（透镜）重得多。图12A示出了自由安装的换能器具有等于辐射表面质量的质量的情况。当激励换能器时，辐射表面在一个方向上出现与换能器在另一个方向上移动的相等的位移。这种现象导致大部分能量浪费在换能器的移动上。图12B示出了换能器以外壳为基座的情况。外壳与换能器的组合质量远远大于辐射表面的质量，因此辐射表面位移远远大于外壳。这在物理上等同于：试图将某人推离你，当你在池中自由浮动时的情形对比将你自己以池塘为基座然后将此人推离的情形。

仅表现弯曲运动而不是活塞运动的系统相对于活塞系统的缺点在于，声级等同于辐射表面的体积的相干位移。图13给出了该活塞动作的图示示例。图13A描绘了以活塞方式驱动的自由安装盘。灰线表示圆盘静止，并且黑线表示最大位移的盘。整个盘作为一个相干单位移动，并且移位了等于表面面积乘以位移的量。图13B描绘了以弯曲方式驱动的类似盘。盘的一些部分向上移动，而盘的其他部分向下移动。盘被自由安装，使得外边缘能够移动。所位移的净相干量造成了声学输出。净相干量是红色面积乘以平均红色位移减去绿色面积乘以平均绿色位移。图13清楚地示出了净相干位移量明显小于通过活塞方式驱动的系统的净相干位移量。

此外，图13C描绘了不是自由安装而是在其周围固定的通过活塞方式驱动的盘。再次，可以看到位移小于自由安装活塞的位移，但是在该情况下，所有移动都在相同方向上，因此没有盘的一部分消除盘的另一个部分的输出。因此，如果系统的安装能够尽可能靠近自由安装表面，则是最有效的。

虽然将本文件所述的机电驱动系统描述为压电元件，但是这样做只是为了说明的目的。可以采用任何已知的机电驱动技术来代替这里所述的压电元件。其他机电驱动换能器的示例可以包括动圈式换能器、电枢式马达、线性马达、约束于线性轨道的旋转马达等。

虽然示出并描述了本发明的优选实施例，但是显然本发明不限于此。本领域技术人员可以想到不脱离所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的很多改型、变型、变化、替代和等同物；并且希望将本发明解释为包括所有这样的改型、变型、变化、替代和等同物。

Claims (18)

1.一种便携式电子装置，包括：

a.自由浮动显示透镜，所述自由浮动显示透镜具有安装在所述自由浮动显示透镜的外围区域或边缘上的加强环；

b.一个或多个机电换能器，所述一个或多个机电换能器被承载在支撑结构上，所述支撑结构的第一端附连到所述加强环；

c.显示器，所述显示器位于所述自由浮动显示透镜与所述支撑结构之间；

d.用户接口控制器，所述用户接口控制器向所述一个或多个机电换能器发送信号，以在一个模式中实现声学信号并且在另一个模式中实现振动触觉信号；以及

e.外壳，所述外壳基本上封闭所述一个或多个机电换能器、所述显示器和所述用户接口控制器。

2.如权利要求1所述的便携式电子装置，其中，所述显示器由所述支撑结构包围。

3.如权利要求1所述的便携式电子装置，其中，所述一个或多个机电换能器是从下述组中选择的，所述组包括电枢马达、压电元件和动圈式马达。

4.如权利要求2所述的便携式电子装置，进一步包括：骨架结构，所述骨架结构用于向所述便携式电子装置提供结构完整性。

5.如权利要求4所述的便携式电子装置，其中，所述骨架结构在机械上以所述支撑结构的第二端为基座。

6.如权利要求5所述的便携式电子装置，其中，所述骨架结构是用于所述便携式电子装置的外壳。

7.如权利要求1所述的便携式电子装置，其中，所述支撑结构是与嵌入式刚性支架相结合的弹性体衬垫。

8.如权利要求7所述的便携式电子装置，其中，所述机电换能器附连到所述刚性支架，使得所述机电换能器以悬臂方式进行操作。

9.如权利要求7所述的便携式电子装置，其中，所述机电换能器在所述机电换能器的两端和中间处附连到所述刚性支架，由此使得所述机电换能器以弯曲件方式进行操作。

10.如权利要求4所述的便携式电子装置，其中，用于安装所述一个或多个机电换能器的所述支撑结构是薄的可弯曲结构，所述薄的可弯曲结构在其周围附连到所述加强环并且在其中心处附连到所述骨架结构。

11.如权利要求10所述的便携式电子装置，其中，所述机电换能器被安装在弯曲件构造中。

12.如权利要求10所述的便携式电子装置，其中，所述机电换能器被安装在悬臂构造中。

13.如权利要求10所述的便携式电子装置，进一步包括声学悬置密封件。

14.如权利要求13所述的便携式电子装置，其中，所述声学悬置密封件是从下述组中选择的，所述组包括半滚动弹性体卷形物、薄的可伸展弹性体、滑块和压缩衬垫。

15.如权利要求1所述的便携式电子装置，其中，所述加强环沿着所述显示器的周围具有变化的厚度。

16.如权利要求1所述的便携式电子装置，其中，在私人操作模式中发射启用的声学信号作为私人水平的音频输出。

17.如权利要求1所述的便携式电子装置，其中，在扬声电话操作模式中发射启用的声学信号作为免提的扬声电话水平的音频输出。

18.一种用于向便携式电子装置的显示透镜提供音频信号和触觉信号的方法，包括下述步骤：

a)通过电信号驱动由支撑结构承载的机电换能器，以在一个模式中实现声学信号，并且在另一个模式中实现振动触觉信号；以及

b)沿着所述支撑结构上承载的加强环的变化的厚度部分来控制频率。

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