CN105228757A - 具有弯曲限制部件的声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明大体上涉及声换能器。在某些方面，所述声换能器包含振动膜以及耦合到所述振动膜以造成所述振动膜的移动的压电致动器。在某些方面，所述换能器还包含限制所述致动器的弯曲的部件。

Description

具有弯曲限制部件的声换能器

相关申请案

本申请案主张2013年3月15日申请的第61/791,355号美国临时专利申请案的权益和优先权，所述申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明大体上涉及具有限制致动器的弯曲的部件的声换能器。

背景技术

扬声器是响应于电音频信号输入而产生声音的换能器。在当今使用的绝大部分扬声器是电磁换能器。称为动态扬声器的此类别自从1920年代以来基本上保持不变。通常，例如电磁或静电电机的线性电机致动振动膜，以致使扬声器发出声波。

最近，已开发新一类机械换能器。那些换能器可具有致动器，所述致动器可耦合到扬声器振动膜或可以耦合到可从所述致动器被锚定及间隔的振动膜的边缘。在此些换能器中，换能器通常是压电致动器。致动器的机械运动转换为大体上在横向于致动器的运动方向的方向上的振动膜的移动。振动膜辐射声学能量。机械到声换能器在第6,720,708号和第7,038,356号美国专利中的每一者中例示。

所述新一类的机械声换能器的问题是耐久性。举例来说，压电换能器包含陶瓷组件，所述陶瓷组件可尤其通过由于冲击力所致的过量应变而容易损坏。

发明内容

本发明提供更耐久的机械到声换能器，所述换能器经设计以较好地承受它们所将被使用的环境而不会断裂。具体来说，本发明的声换能器包含限制致动器的弯曲的部件。通过限制致动器的弯曲，通过在致动器组合件的弹性极限内含有运动限制而保护致动器内的陶瓷免于开裂或断裂。这在扬声器受推挤或掉落的情况中尤其有用。

通常，所述部件经配置以使得其不限制被耦合到致动器的振动膜的移动。在某些配置中，致动器的远端耦合到振动膜且所述部件被定位以与致动器的远端部分相互作用。在其它实施例中，振动膜是弯曲的，且所述部件经配置以限制致动器的弯曲但不干扰弯曲的振动膜。所述部件可与换能器一体地形成或可以可拆装地耦合到所述换能器。所述部件也可以可拆装地耦合到致动器或一体地耦合到所述致动器。在某些实施例中，致动器包含第一和第二侧面，且所述部件经配置以仅与所述第一或第二侧面相互作用。在其它实施例中，致动器包含第一和第二侧面，且所述部件经配置以与所述第一和第二侧面两者相互作用。

所述部件可为限制致动器的弯曲的任何组件。另外，所述部件可由任何材料构成。示范性材料包含塑料、金属和橡胶。在特定示范性配置中，所述部件具有第一和第二垂直侧面以及连接所述第一和第二侧面的顶部部分。所述部件可经设定大小以配合在致动器上方。在此实施例中，所述部件用以容纳致动器，进而限制致动器可弯曲的范围。在某些实施例中，在致动器的每一侧上从百分之几毫米到若干毫米任意地约束弯曲量。在某些实施例中，所述换能器另外包括将致动器耦合到振动膜的连接器。在那些实施例中，所述部件可通过与连接器的相互作用而限制致动器的弯曲。

相对于其它组件，例如振动膜或致动器，本发明的换能器可使用任何类型的振动膜和用于移动振动膜的致动器。举例来说，振动膜可由任何固体材料制备，例如塑料、光学级别材料、金属、碳纤维复合物、织物、发泡材料、纸或这些的任何组合。适合与本发明一起使用的致动器包括压电致动器。在另外方面中，所述致动器是弯曲型压电致动器。这些可包括单压电晶片、双压电晶片、三压电晶片或其它多压电晶片型弯曲件。

本发明的换能器还可包括额外组件。在某些方面，所提供的换能器还可包括用于支撑振动膜的支撑件。本发明的换能器还可包括基底组件。在某些方面，所述弯曲限制部件是所述基底的一体式部分。本发明的换能器还可包括将致动器耦合到振动膜的连接器。在某些方面，所述部件通过与连接器相互作用而限制致动器的弯曲。

附图说明

图1是展示本发明的声换能器的正视图的示意图。

图2是展示本发明的声换能器的侧视图的示意图。

图3是展示本发明的声换能器的自上向下视图的示意图。

图4-图7是展示图1中所示的声换能器的不同分解视图的示意图。

图8-图9是展示限制致动器的过量移动的部件的不同视图的示意图。

图10-图13是展示将致动器耦合到振动膜的连接器的不同视图的示意图。

图14-图15是展示限制振动膜的移动的部件的不同视图的示意图。

图16是展示本发明的换能器的示意图，其中振动膜耦合到两个辅助支撑件。

图17-图19是展示本发明的音条的不同视图的示意图。

图20-图21是展示具有中心支柱的本发明的音条的不同视图的示意图。

图22-图28是展示本发明的集成压电支柱的不同元件和组装视图的示意图。

图29是展示致动器和弯曲振动膜的示意图，其中致动器垂直于平面P。

图30是展示致动器和振动膜的示意图，其中致动器与平面P成浅角度A。

图31是展示处于静置位置中的振动膜和处于正形状中的致动器和振动膜的示意图。

图32是展示处于静置位置中的振动膜和处于负形状中的致动器和振动膜的示意图。

图33是展示限制致动器的过量移动的部件的放大透视图的示意图。

图34是展示耦合到振动膜的致动器的远端以及经定位以与致动器的远端部分相互作用的移动限制部件的示意图。

图35是展示限制致动器的过量移动的部件的示意图，其中所述部件与基底一体地形成。

图36是限制致动器的过量移动的部件的示范性实施例的示意图，其中所述部件具有第一和第二侧面。

图37是限制致动器的过量移动的部件的示范性实施例的示意图，其中所述部件具有仅一个垂直壁。

图38是展示限制致动器的过量移动的部件和定位于所述部件内部的致动器的横截面图的示意图。

图39是展示弯曲振动膜的弦长度和弦深度的示意图。

具体实施方式

本发明大体上涉及声换能器。在某些实施例中，本发明的换能器具有弯曲型压电致动器，其中振动膜是弯曲的，所述压电致动器机械附接到振动膜，且其中在抵靠彼此移动的两个致动器之间或在致动器与支撑件之间，所述振动膜的中点的移动借助换能器的机械构造而相对于所述致动器的移动被机械地放大。此换能器继而称为机械放大换能器。图1-图7展示本发明的示范性声换能器。本发明的换能器可包括支撑件100。所述支撑件可为如图1-图7中所示的基底。本发明的换能器可通过到信号源的有线或无线连接而接收其一或多个音频信号。无线换能器例如在Carlson(美国专利申请案号2010/0322455)中描述，所述申请案的内容以全文引用的方式并入本文中。

本发明的换能器可包括振动膜101。振动膜101可为柔性薄片。振动膜可为平坦的或形成有曲率，例如抛物线区段。在某些实施例中，振动膜包括若干曲率。在某些实施例中，当处于静置位置中时，振动膜在压电致动器附接点与支撑件(或第二致动器)之间的区段中是弯曲的。振动膜可为任何固体材料，包括：塑料，例如Kapton(聚酰胺酰亚胺)、聚碳酸酯、PMMA、PET、PVDF、聚丙烯或相关聚合物掺合物；或光学质量材料，例如三乙酸盐和强化玻璃；或铝、钛或其它金属；或碳纤维复合物；或纸；或树脂掺杂织物；或发泡材料；或其它复合物。某些实施例中，振动膜是由不具有或具有刚好可忽略的压电性的材料制成。振动膜可制作为不透明或光学透明的。振动膜可包括光偏振层、或衰减层、或其两者。偏振层和衰减层例如在Booth(美国专利申请案号2012/0186903)中描述，所述申请案的内容以全文引用的方式并入本文中。振动膜也可以涂覆有光漫射纹理或涂层以促进图像或光的投影。振动膜可由柔性显示组件构成。

振动膜101耦合到支撑件100。当振动膜101弯曲时，支撑件100可包括与振动膜的弯曲相匹配的弯曲。图1-图3中的示范性耦合示出耦合到支撑件100的振动膜101的底部。在特定实施例中，该耦合使得振动膜101实质上垂直于支撑件100。该耦合可借助于此项技术中已知的任何机构，例如粘合剂、摩擦、夹具、紧固件、铆钉、例如通过激光焊接或超声波焊接做出的那些材料连接，或磁性连接。振动膜101经由至少一个接触点耦合到支撑件100。在一些实施例中，一个以上接触点将用于所述耦合，例如致动器和支撑件的一部分。那些接触点是在支撑件100的正面和背面上的凸缘。振动膜101在接触点处配合在凸缘之间且被耦合到振动膜。通过使用两个接触点，振动膜有效地分裂成两个区，进而允许振动膜从振动膜的第一部分和振动膜的第二部分独立地产生声音。该概念进一步在Athanas(美国专利号6,720,708)中描述，所述美国专利的内容以全文引用的方式并入本文中。

重要的是应注意，以上描述是示范性的且不限制本发明。许多其它耦合配置是可能的，且本发明不限于任何特定耦合配置。举例来说，本发明的换能器可经配置以使得耦合点是一个致动器和一个支撑件，或一个致动器和多个支撑件，或两个或两个以上致动器(彼此相对)且完全无支撑件，以及两个或两个以上致动器和一或多个支撑件。

本发明的换能器包括耦合到振动膜的至少一个致动器104。在某些实施例中，致动器是弯曲型压电致动器，例如单压电晶片、双压电晶片、三压电晶片或多压电晶片型弯曲件。在某些实施例中，单致动器设计的换能器具有耦合到振动膜的中心线的致动器。图1-图7示出使用两个致动器104的实施例。致动器104展示为沿着振动膜的底部被耦合在振动膜101的左下侧和右下侧上。致动器的此位置是示范性的且其它耦合在本发明的范围内。在某些实施例中，致动器104也被耦合到支撑件100，但不要求如此。所述耦合在图8-图11中例示。基本上，致动器安放在基底的中空区段中且通过例如热接合、粘合剂或机械夹持而被耦合到基底。在某些实施例中，致动器也可搁置在单独的固持片中，所述固持片又附接到基底。

此项技术中已知的任何类型的致动器可与本发明的方法一起使用，且示范性致动器是压电致动器。双压电晶片是用于本发明的一类合适的驱动机构或致动器。多压电晶片的实例是五层装置，其由四个压电材料板组成，该四个压电材料板在接合到中心衬底的在每一侧上都具有导电涂层。所述衬底提供一些弹簧力。其也可充当减震器。所述压电板例如可从CTS电子组件公司压电产品得到(美国新墨西哥州阿尔伯克基市阿拉米达大道4800号，邮编87113)。可使用的类型是3195STD。压电板在X轴和Y轴中(大体上与垂直轴线对准且位于板中的方向)膨胀或收缩。在一个配置中，板被堆叠起来，其中在每一侧上具有交替的成极方向，且被从一侧到另一侧相对反相的信号驱动。因此，两个板膨胀，而同时其它两个板收缩，其致使致动器在z方向上弯曲。最终弯曲运动远超过单个压电晶片的移动的膨胀。

致动器104到振动膜101的耦合，使得致动器的移动导致了振动膜在横向于致动器移动的方向中移动。致动器如何导致振动膜移动的进一步描述在Athanas(第6,720,708、7,038,356号美国专利)、Johnson(第7,884,529号美国专利)、Carlson等(第8,068,635号美国专利)以及Booth等(第8,189,851号美国专利)中描述，以上专利中的每一者的内容以全文引用的方式并入本文中。

基底100可以固持声换能器的电子元件。用于扬声器的电子元件例如在Burlingame(第2011/0044476号美国专利申请案)中描述，所述申请案的内容以全文引用的方式并入本文中。可选地，基底也可以固持扬声器。图1-图7展示固持扬声器105的示范性基底100。在此实施例中，扬声器105在第一频率范围发射声能量。在此实施例中，振动膜101在第二频率范围发射声能量。所述第一和第二范围可重叠或甚至相同。然而，在优选实施例中，一旦将电子元件交越应用于音频信号，所述第一和第二范围便几乎不具有重叠。在示范性实施例中，基底中的扬声器是在250Hz及以下的频率范围的声能量的主要发射体，而振动膜是在从250Hz到20kHz的频率范围的声能量的主要发射体。

图1-图7例示其中振动膜101具有至少一个自由边缘的换能器。在图1-图3中，振动膜101具有一个以上自由边缘，即，左边缘和右边缘以及顶部边缘在空间中是自由的。仅振动膜101的底部边缘因为被耦合到支撑件100而受到约束，。在另一个实施例中，振动膜在底部边缘处被连接到致动器，在顶部边缘处被连接到支撑件，从而在左边缘和右边缘留下自由边缘。图17-图21展示此实施例的若干实例。在其它实施例中，振动膜101的底部边缘因为被耦合到支撑件100而受到约束，在左边缘和右边缘的部分上使用辅助垂直支撑件，从而留下振动膜的仅顶部边缘在空间中为自由的。

此外，在图29-图32中，在致动器与振动膜之间存在附接点D，以及在振动膜与支撑件之间存在附接点S，以及在点D与S之间存在平面P。取决于是正电压还是负电压被施加于压电弯曲件，所述弯曲件朝向点a或b移动。存在具有最大和最小电压输出的对应音频信号放大器。如果最大或最小电压被施加在压电弯曲件处，那么所述弯曲件具有由点a和b指示的最大正或负漂移。还存在静置状态O。附接点D在施加电压时的移动遵循弯曲路线。静置点O与端点A或B之间的移动可由两个向量X和Y描述，其中X平行于平面P且Y垂直于平面P。

由于振动膜机械地附接到弯曲件，所以振动膜将预见垂直于平面P的它的漂移分量F和G。在沿着致动器的附接点D与支撑件的附接点S之间的振动膜的曲率的中央处，观测F和G。通常，振动膜的位移F大于位移X和Y的总和。如果压电弯曲件在相反方向中移动，那么对应地，位移G大于位移X'和Y'的总和。此类型的换能器是机械放大的。

通过将压电致动器的远端耦合到弯曲的振动膜，致动器的远端的运动的侧向分量被转换成振动膜表面的较大垂直运动。

图29展示致动器与振动膜之间在点D的附接点以及振动膜与固定支撑件之间在点S的附接点。应注意，支撑件可由以信号驱动的另一致动器代替，所述信号使该另一致动器相反于致动器104的移动而移动。使用点D与S之间的参考平面P，取决于是正电压还是负电压被施加于致动器，致动器的端头(tip)使点D朝向或远离点S移动。

定义：弧长度是点D与S之间的振动膜片段的长度。弦长度d是点D与S之间的直线距离。弦深度T是振动膜片段与平面P之间的最大垂直距离。这在图39中说明。

弯曲的振动膜的几何形状和材料性质经选择以使得当一个或多个致动器在D与S之间的振动膜的片段上施加侧向力时，振动膜将通过挠曲及增加或减小其曲率而做出反应。这可见于图31-图32中。维持固定弧长度的同时改变曲率导致弦深度T的改变。

振动膜的几何形状相对薄且相对长，且其模数选自例如塑料、金属、纸、碳纤维、发泡材料、之前和类似材料的复合物等材料的群组。

如果此振动膜在致动器的附接点D与支撑件的附接点S之间弯曲，那么其具有基本上固定的弧长度。致动器的远端的侧向运动(lateralmotion)导致所述弧的弦长度d的改变。由于当改变弦长度d而保持弧长度固定时的几何原理，对应的弦深度T将被改变。在弦深度T小于弦长度d的二分之一的情况下，只要振动膜不采用平坦形状，弦长度d的任何递增改变都将导致弦深度T的较大递增改变。我们将此效果称为机械放大。我们将弦深度T与弦长度d的递增改变的比率称为放大比率。在弦长度d与弦深度T的比率增加时，所述放大比率也增加。

在显著低于换能器的第一机械谐振的频率处且在20赫兹与20千赫兹之间的频率范围内观测所述放大比率。在优选实施例中，该放大比率例如为至少1.2、至少1.5、至少1.7、至少2、至少2.5、至少3、至少3.5、至少4、至少4.5、至少5、至少5.5、至少6、至少6.5、至少7、至少7.5、至少8、至少8.5、至少9、至少9.5、至少10、至少10.5、至少11、至少11.5、至少12、至少12.5、至少13、至少13.5、至少14、至少14.5、至少15、至少15.5、至少16、至少16.5、至少17、至少17.5、至少18、至少18.5、至少19、至少19.5或至少20。在其它实施例中，所述放大比率是上述那些比率之间的任何比率。

在扬声器换能器的构造中，形成于致动器的远端与平面P之间的角度A可从垂直角度变化到极小的角度，这导致机械放大的不同比例和振动膜在不同区中的运动。图29展示角度A处于90度的换能器的实例。图30展示A接近0度的换能器的实例。

机械放大对于大于零度且小于180度的角度A发生。应注意，致动器也可在同一点D处被附接在振动膜的相对侧。此外，仅当弦深度T小于弦长度d的两倍时发生机械放大。

应注意，除由于机械放大所致的振动膜运动之外，振动膜还将以经叠加的位移而移动，该经叠加的位移等于致动器的远端的运动的垂直分量。如果角度A是90度，那么不存在此经叠加的位移。

在静置位置，振动膜具有中性形状，该中性形状由振动膜的松弛形状以及由致动器附接件和支撑件施加的约束来确定。到致动器的信号电压的正到负的振荡，使导致振动膜相对于中性位置的对应的正和负的位移。振动膜的此位移产生声学空气压力改变且允许此设计充当音频换能器。

图31展示处于其静置位置的振动膜101以及压电致动器104'和处于其正形状的振动膜101'。

图32展示处于其静置位置的振动膜101以及压电致动器104”和处于其负形状的振动膜101”。

致动器的长度、基线弦深度T和弦长度d的各种组合导致扬声器换能器的性能在最大声压级和频率响应方面的不同。应注意，压电弯曲件可相对于振动膜以广泛范围的角度附接。在某些实施例中，本发明的换能器经配置以使得致动器的移动具有大于0的分量x，且其中振动膜F的位移大于位移X和Y的总和。如果x为零，那么振动膜位移将不存在相对于弯曲件位移的机械放大。进一步注意，振动膜可以任何量来悬垂于致动器上。放大换能器的其它变体包括：两个相对侧面上的致动器或多个致动器，无支撑件S；以及两个相对侧面上的致动器，支撑件S位于两个相对侧面之间。

在某些实施例中，换能器经配置以使得压电效应被限于致动器。这意味着压电致动器(该压电致动器与由非压电材料构成的振动膜分离且不同)被用于激励振动膜。在振动膜中存在丝毫压电效应的情况下，这不用来致动振动膜。振动膜与音频放大器之间不存在电连接。

本发明的声换能器可任选地包含额外特征以使得本发明的换能器可较好地承受它们将在其中使用的环境而不会断裂。举例来说，压电致动器是相对脆的，且在高动态负载和突然冲击下将被损坏。另外，如可能与本发明的换能器一起使用的薄振动膜，由于其相对薄而可能是脆弱的。如果用户将换能器掉落到地上(例如从120cm的高度)，那么若干可靠性问题会发生。举例来说，压电致动器可能损坏或振动膜可能损坏。

这种类型的可靠性问题通常严重到使得换能器不再可能具有既定用途。压电致动器的损坏通常是由于在平面P的方向中冲击换能器而发生的，例如产品掉落在地上。振动膜的重量将迫使压电致动器弯曲超出其机械断裂限制。典型的损坏实例是在压电材料内部产生的裂缝，其当电压施加时造成电介质击穿且因此阻止致动器如设计那样移动。

振动膜的典型损坏是裂缝、孔或变色，其通常发生在振动膜与致动器或振动膜与支撑件之间的附接点的附近。致动器或振动膜的损坏的范围取决于为其两者所选择的特定材料和设计。一般来说，对于给定设计，如果振动膜越重和越大，则损坏将越严重且将越容易发生。如果换能器设计是无框架类型，那么损坏也将更严重或将更容易发生。如果例如由于掉落高度、产品的重量或换能器掉落于其上的表面的硬度增加而使冲击增加，那么损坏也将更严重。

尤其对于无框架换能器，因为振动膜可能由于缺乏框架或扬声器格栅而被弯曲或撕破，所以存在额外的可靠性问题。作为一实例，如果此无框架换能器被从120cm高度掉落到例如混凝土或木材等硬的表面上，则观测到压电致动器或振动膜或两者的损坏。此外，如果换能器在振动膜的平面中在振动膜的顶侧上掉落，那么振动膜将弯曲且在附接点处产生高应力，其导致振动膜在附接点附近的开裂。

可保护本发明的换能器的示范性特征包含：(a)用以限制致动器的最大弯曲的机械止挡件；(b)具有锥形边缘的连接器片；(c)具有锥形边缘的致动器衬底；(d)带有具有锥形边缘的集成连接器片的振动膜；(e)可拆装且可再附接的振动膜；(f)用以限制振动膜的弯曲的机械止挡件；(g)用以防止边缘对振动膜的冲击的部件；(h)支撑件与振动膜之间的相对软的连接器片；以及(i)左侧和右侧上的辅助支撑件，其被耦合在左拐角和右拐角处。下文描述这些措施中的每一者的优选实施方案。措施可个别地或结合地被使用以改善具有压电致动器的机械放大声换能器的可靠性。

图式展示包含额外特征a)、b)、f)、g)和h)的换能器，但本发明的换能器不需要包含所有所述特征或可同时包含更多特征。举例来说，本发明的换能器可不具备额外特征、具备额外特征中的一者、或具备所有额外特征。换句话说，本文所描述的额外特征是任选的，且本发明的实施例不应解释为需要任何额外特征。并且，所述特征的任何组合可与本发明的换能器一起使用。

(a)机械止挡件

第一特征可以为限制致动器的弯曲的部件。所述部件可如图4-图7中所见为106，其提供换能器组件的分解视图。所述部件自身的放大视图在图33中提供。如放大视图中所见，部件106可包含两个垂直部件106A和106B以及链接两个垂直部件106A和106B的顶部部分106C。部件106经设计以配合在致动器上方，其中两个垂直侧面经配置以限制致动器可弯曲的运动范围。所属领域的技术人员将认识到，所述弯曲限制部件不限于任何特定尺寸，且部件106A和106B的高度以及顶部部分106C的宽度将取决于致动器的尺寸而变化。

图8-图9展示配合在致动器104上方的部件106的视图。通过限制致动器的弯曲，保护致动器内的陶瓷免于开裂或断裂。在扬声器被推挤或掉落的情况中这尤其有用。通常，所述部件经配置以使得当被耦合到致动器时其不会限制振动膜的移动。举例来说，图8描绘由部件106覆盖的致动器(未图示)。连接器107将致动器耦合到振动膜101。如图8中所示，部件106的特征在于顶侧上的小凹入部分，从而使得连接器107当由致动器移动时可自由移动。在某些配置中，致动器的远端耦合到振动膜，且所述部件被布置成与致动器的远端部分相互作用，如图9中所示。所述部件通过阻碍致动器的任何过量弯曲而与致动器的远端部分相互作用，但不干扰正常运动范围。任何弯曲将被表征到致动器的远端部分中的最大范围。在某些方面中，本发明的部件可提供一或多个侧面，其阻止致动器的远端部分弯曲超过其最大运动范围。在其它实施例中，所述部件可以阻碍连接致动器和振动膜的耦合片的过量移动，如图11中所示。在图11中，部件106通过与耦合到致动器104的连接器107相互作用而间接限制过量移动。在其它实施例中，振动膜弯曲且所述部件经配置以限制致动器的过量弯曲但不干扰弯曲的振动膜。

所述部件可为可拆装的或与基底一体地形成。图4-图9中例示的部件可从致动器拆装。在图35中描绘与基底一体地形成的部件。如图35中所示，所述部件从基底在致动器上方延伸以限制致动器的移动。

无论所述部件是可拆装的还是与基底一体地形成，所提供部件都不干扰致动器的正常移动。图12展示连接器107与基底100的内部部分之间的示范性间距，其展示即使具有连接器107和部件，致动器103也能够充分移动以使得振动膜101移动。图13展示示范性实施例，其中振动膜101弯曲。在此实施例中，连接器107的近端成角度以适应振动膜101的弯曲，同时仍能够将致动器104耦合到振动膜101。

在某些实施例中，致动器包含第一或第二侧面，且所述部件经配置以仅与第一侧面或仅与第二侧面相互作用。在其它实施例中，致动器包含第一和第二侧面，且所述部件经配置以与第一和第二侧面两者相互作用。图38描绘其中所述部件经配置以与致动器的两个侧面相互作用进而限制任一侧上超出正常移动范围的过量弯曲的示范性实施例。如图38中所示，部件的内壁限制与致动器相关联的任何过量弯曲。在本发明的另外的实施例中，部件经配置以仅与致动器的一个侧面相互作用。在此类实施例中，部件可仅包含单个垂直侧面，用于阻碍超出正常运动范围的过量弯曲。该单个垂直侧面可定位于致动器的任一侧上。即使致动器的一个侧面受到限制，本发明的部件仍可足以阻止致动器的过量弯曲和偶发性断裂。图37中展示其中部件仅具有一个垂直侧面的示范性实施例。安全范围取决于致动器和换能器的特定构造，且可在致动器的每一侧上在从百分之几毫米到若干毫米的范围内变化。举例来说，所述范围可限于在致动器的任一侧上0.001mm到在致动器的任一侧上10mm。对于由4个各自具有0.3mm厚度的压电板和1个具有1mm厚度的FR4衬底来构造的多压电晶片以及致动器具有20mm的自由高度的情况，由所述部件所限制的致动器弯曲的安全范围的实例在致动器的每一侧上为0.15mm。自由高度为从致动器的弯曲端头到致动器将开始被锚定到支撑件中的点的距离。安全范围通常在致动器的重复掉落测试以及弯曲测试中以实验方式确定。安全范围通常大于既定用作换能器的致动器的最大漂移。对于上述致动器，致动器的内部驱动操作偏移是断裂限制的较小分数(在每一方向中大约0.05mm)。

用于限制振动膜101的弯曲的部件在图1-图7中展示为108并且也在图14-图15中展示为108。在某些实施例中，部件108经配置，从而部件108限制振动膜101在其附接到致动器103的点处在垂直于其平面的方向中弯曲超出某一限制。以此方式，保护振动膜101免受外力，例如来自掉落、正常接触或其它事件的外力。

所述部件可为限制致动器的弯曲的任何组件。所述部件可由任何材料构成，且示范性材料包含塑料、金属和橡胶。图4-图9中展示所述部件的特定示范性配置。如图33中所示，特定实施例展示部件，该部件具有第一和第二垂直侧面以及连接该第一和第二侧面的顶部部分。

弯曲限制部件的额外实施例也在本发明的范围内。举例来说，部件可包括第一和第二侧面而不具有用于连接的顶部部分，如图36中所示。在此实施例中，第一和第二侧面可用紧固件、小条或保持第一和第二侧面适当地隔开但同时维持所述部件的结构完整性的任何其它构件连接。所述部件也可包含额外的垂直壁。

根据本发明的弯曲限制部件可以多种方式制作。实际方法可取决于部件的配置而变化，例如所述部件是否包括单个的连续单元或所述部件是否是由多个组件制作。在某些实施例中，使用挤压来制造所提供的部件，无论它们是连续的单元部件还是多组件部件。

挤压是用以产生具有固定的横截面型面的对象的工艺，其中用以产生对象的材料被推动或牵拉通过所要横截面的模具。挤压适合于制造具有极复杂横截面的对象。挤压可为连续的(制造无限长材料)或半连续的(制造许多件)。挤压工艺也可使用热或冷起始物料来执行。适合于制备本发明的部件的挤压材料包含(但不限于)金属、聚合物、陶瓷及其组合。

在基本热挤压工艺中，起始物料被加热且被加载到压机中的容器中。在冷挤压中，起始物料保持在室温或接近室温。在任一情况下，将虚设块(dummyblock)放置在已加载容器后方，其中压头随后按压在材料上以将其推出模具。然后拉伸挤压以便使其变直。如果需要较好性质，那么可对其进行热处理或冷加工。

在某些方面，部件是起始物料的单个连续单元或单块单元。举例来说，所述部件可包括两个垂直侧面，其中水平组件连接所述两个垂直侧面，其中所述水平组件和两个垂直侧面构成一个连续材料片。在此实例中，模具可经配置具有当从侧面观看(例如，垂直侧面的较薄侧面和水平组件对观看者而言可见)时呈连续部件的形状的开口。随后推动起始物料通过模具，从而得到具有连续垂直侧面和用于连接的水平组件的部件。

如上所述，挤压也可用以制造包括多个组件的部件。在此情况下，为单独的组件中的每一者准备模具，例如单独的垂直侧面和用于连接垂直侧面的单独的水平组件。再次推动起始物料通过各种模具，从而产生多个组件的制造，该多个组件随后被连接。可使用任何手段来连接组件，包含焊接、使用粘合剂、互锁组件等。

模制是可用以制造根据本发明的部件的另一工艺。在模制中，使用刚性框架或模型来使可弯的原材料成形为所要形状。

模具通常是中空块，其填充有例如塑料、玻璃、金属或陶瓷原材料的液体。所述液体在模具内部硬化或固化，从而沿用模具的形状。常常使用脱模剂来促进从模具的移除已硬化/已固化的物质。适合用于制造本发明的部件的模制的类型包含但不限于吹塑模制、压缩模制、挤压模制、注射模制和基质模制。如同上述挤压工艺一样，模具可用以制备具有各种侧面的连续单块部件或多组件部件。举例来说，单个模具可用以制造单块部件，而若干不同模具可用于多组件单元中的各种组件。

在一个方面中，弯曲限制部件通过塑料注射模制来制造。塑料注射模制在本技术领域中众所周知。为了大量制造弯曲限制部件，制作具有弯曲限制部件的形状的模具块，其被提供为耦合到可注射熔融塑料树脂的储集器的中空腔。该模具是以两个半部制作，使得可从半部中的一者移除已完成零件而模具腔的部分不会阻碍任何部分。所属领域的技术人员很容易熟知该要求。将模具放入能够以数吨的力将模具的两个半部夹持在一起的处理机器中。在极高压力下将已熔融塑料树脂注射到所述腔中，以便促进快速填充模具的较薄或远的体积。在已熔融塑料冷却为固体之前，由于有限的时间而需要进行快速填充。在大体上小于两分钟的循环时间内，可闭合、填充模具并清空已完成部分。为了优化机器中模制零件的成本和吞吐量，模具可由若干相同腔构成。模具可具有1、2或甚至数十个腔且在每一循环中制造相称数目的零件。

(b)锥形连接器

现有技术教导使用在附接振动膜而所抵靠的顶部区段上具有弯折的衬底。此构造的缺点在于附接点或附接区域周围有尖锐过渡拐角。振动膜的此硬度在该拐角处显著地改变而拐角担当应力集中件。对换能器的任何突然冲击都将在振动膜附接到衬底的拐角处产生局部化的极高力。当例如从120cm的高度掉落到混凝土或木地板上时，这个高力随之造成振动膜中的裂缝或孔、或者振动膜与衬底的分离、或者衬底的损坏、或者这些情况的组合。

为了克服该问题，提出具有锥形边缘的连接器。所述连接器在图4-图7中展示为107。所述连接器还在图10-图13中展示。所述连接器具有向远端成锥形的平面近端。所述近端被耦合到振动膜101且所述远端被耦合到致动器104以促使致动器104使得振动膜101移动。由于连接器的锥形设计，当从不受约束的振动膜朝向附接区域的中心观测时，振动膜的硬度逐渐改变。这使得在较大区域上分布应力负载且显著减少局部化的最大力。

本发明的连接器可具有任何类型的锥形。举例来说，在某些实施例中，连接器的左侧和右侧从平面近端到远端成锥形。在其它实施例中，连接器的顶侧和底侧从平面近端到远端成锥形。在特定实施例中，连接器的所有侧面从平面近端到远端成锥形，如图10-图13中所示。

可使用任何连接机构来将连接器耦合到振动膜。举例来说，可通过粘合剂、摩擦、夹具、紧固件、铆钉、例如通过激光焊接或超声波焊接制作的那些材料连接、或磁性连接，来将连接器耦合到振动膜。连接器也需要耦合到致动器。进行此连接的示范性方式是配置所述连接器以使得致动器104的一部分配合在连接器107的远端内，如图10-图13中所示。连接器与致动器之间的连接例如可以用粘合剂来进行。

(c)带有具有锥形边缘的集成连接器片的致动器衬底

在一些实施例中，如以上(b)中描述的锥形边缘(该锥形边缘将振动膜连接到致动器)不是单独的连接器片，而是与致动器的衬底元件一体地形成。优选的实施方案是这样的致动器的衬底，即，被制造作为由塑料或金属材料注射模制或铸造的零件且将连接区域的锥形特征与致动器衬底的所期望几何形状相结合。

(d)带有具有锥形边缘的集成连接器片的振动膜

在一些实施例中，如上文(b)中描述的连接器与振动膜一体地形成。致动器的远端如上文所描述例如通过致动器的一部分配合在连接器的远端内而附接到连接器。优选的实施方案是通过注射模制、铸造或热成形制作的振动膜，其将上述连接器的一般形状与振动膜的所期望几何形状结合为一个部分。

(e)可拆装且可再附接的振动膜

在某些实施例中，本发明的换能器经设计以使得振动膜被可拆装地耦合到致动器。连接的强度经设计以使得以小于将会损坏振动膜的冲击力的力，而将振动膜从致动器释放。以所述方式，在力(该力将损坏振动膜或致动器)被施加于振动膜之前，将振动膜从致动器释放。可使用任何类型的可释放连接。在示范性实施例中，使用基于磁体或摩擦的要求实现可释放连接。磁体的强度经调谐以在力冲击将损坏振动膜或致动器之前，使得所述磁体变松。其它连接可使用锥形楔来形成，所述锥形楔产生侧向极刚性连接但在平行于致动器的平面的方向中可易于被分离。

(f)用以限制振动膜的弯曲的机械止挡件

振动膜在从例如120cm掉落到地板上期间可被损坏的潜在方式之一是，换能器掉落到振动膜上并致使其弯曲。这对于如图1-图7所示的具有无框架振动膜的换能器尤其是问题。如果具有无框架振动膜的换能器掉落以使得振动膜做出对地板的第一冲击，那么振动膜可变得弯曲。在某些情况下，振动膜可能弯曲多达180度，从而迫使其瞬时变为U形。此弯曲将造成在振动膜与致动器或振动膜与连接器片之间的附接区域的边缘处的极端应力集中。振动膜可构造为足够坚固以承受180度的弯曲且弹性返回到其原始形状，然而在许多实施方案中，附接区域处的应力集中将造成振动膜变色或开裂。变色常常是开裂的前兆，因此在施加多个应力之后可观测到开裂。取决于设计，甚至在利用如以上b)、c)和d)中描述的具有锥形边缘的设计的情况下也可能如此。为了克服此问题，介绍用于振动膜的机械止挡件。所述机械止挡件经设计以使得在达到附接点处对致动器或连接器造成损坏的临界弯曲半径之前，振动膜将接触所述止挡件。此止挡件的效果在于由弯曲和冲击产生的力现在将分布于两个区域上：振动膜和致动器(或连接器)的附接区域，以及振动膜和机械止挡件的接触区域。

本发明的机械止挡件可具有相对于振动膜的任何类型的定向或距离。举例来说，在某些实施例中，所述机械止挡件具有狭槽的形式且在振动膜的两个平面侧面上形成止挡件。振动膜在所述狭槽内的位置可相对于所述两个机械止挡件对称或不对称。在其它实施例中，所述机械止挡件仅在振动膜180度弯曲的掉落情况下与正面侧或背侧振动膜相互作用。这可通过仅在振动膜的一个侧面上具有机械止挡件或通过具有两个止挡件但一个侧面上的一个止挡件移动太远而无法充当止挡件来实现。

在特定实施例中，狭槽在两侧中以相等距离保护振动膜以免弯曲，如图15中所示的。本发明预期限制振动膜的弯曲的部件的任何配置。在某些实施例中，所述部件包围振动膜。在其它实施例中，所述部件位于振动膜后方。图1-图7和图14-图15展示部件108的示范性配置，其为具有狭槽的外壳。所述外壳经配置以在振动膜延伸穿过狭槽时配合在振动膜101上方。所述狭槽限制振动膜的移动。在某些实施例中，振动膜是弯曲的且所述狭槽包含对应于振动膜的弯曲的弯曲。

(g)用以阻止对振动膜的边缘冲击的部件

具体来说在无框架设计中，由于对振动膜的直接边缘冲击而可出现另一耐久性问题。这可对振动膜到致动器(或连接器)的接口产生高剪力，其可在振动膜或致动器或连接器或接口层中产生损坏。这是附接到致动器并正在移动的振动膜的边缘上的特定问题，因为通过与框架的稳固耦合无法保护这些边缘。解决方案是引入在物理上阻止对振动膜的一个侧面的边缘冲击的部件。优选的实施方案在图18中展示(音条)。在此实施方案中，所述部件是基底/支撑件的部分且至少突出到振动膜的高度或超出振动膜的高度，且进而阻止直接边缘冲击。

(h)支撑件与振动膜之间的连接器片

换能器掉落时振动膜的可损坏的另一区域是振动膜到支撑件的连接。如上文所论述，应力集中可造成振动膜的损坏。此问题的解决方案是振动膜与支撑件之间的互连点的锥形设计以实现逐渐的硬度改变。这可以实现为锥形连接器片、与振动膜成一体式的锥形边缘或包含锥形特征的支撑件。另一解决方案是在振动膜与支撑件之间使用相对软且可压缩的连接器片。在优选的实施方案中，连接器片具有比振动膜和支撑件低的模数且其由橡胶或硅酮制成。也可使用其它材料。连接器材料的相对柔软度和可压缩性将允许振动膜在较大半径周围的弯曲和最大应力的减少。柔软且可压缩的连接器片可与锥形设计相结合。图4-图7中展示优选的实施方案，其中相对柔软的连接器片是以数字110和111指示。

(i)辅助支撑件

在某些实施例中，本发明的换能器包括辅助支撑件。图16展示具有附接到振动膜的左侧和右侧的辅助支撑件109的本发明的换能器的示范性实施例。辅助支撑件109被耦合到支撑件100。辅助支撑件在换能器被撞击或掉落的情况下提供振动膜的额外强度和额外保护。通常，即使支撑件延展振动膜的长度，振动膜也仅将被耦合在辅助支撑件的左上角和右上角处。此实施例仅是示范性的且不以任何方式限制辅助支撑件的使用。关于支撑件的位置、支撑件的数目以及支撑件到振动膜的耦合的许多其它配置在本发明的范围内。

在例如图1到图9中所示的那些三边无框架换能器设计中，在与硬的对象冲击下(例如从120cm掉落在表面上)，振动膜的弯曲造成连接点处的高应力。改善此设计的可靠性的一种方法是在左侧和右侧上使用辅助支撑件，在左上角和右上角耦合该辅助支撑件。这些支撑件的功能是阻止振动膜的弯曲发生，但同时仍允许振动膜的侧向移动，所述侧向移动是振动膜作为换能器的功能部分所需的。这可通过在辅助支撑件与振动膜之间使用耦合片来实现，所述耦合片允许平面中的一些移动但阻止平面外的显著弯曲。

音条

本发明还涵盖如图17-图18中所示的音条。本发明的音条以与上述换能器相同的方式操作。即，机械压电致动器被耦合到振动膜，且致动器的移动致使振动膜在横向于致动器移动的方向中移动。振动膜的移动相对于致动器的移动是放大的。如上，振动膜可为弯曲振动膜。如图17-图21中所示，振动膜沿着其顶部部分被耦合到支撑件且沿着其底部部分被耦合到两个压电致动器。那些图式是示范性的且其它配置在本发明的范围内。另外，本发明涵盖使用两个以上致动器。

图17-图21展示支撑件被耦合到两个支柱。每一支柱的底部部分容纳压电致动器。图22-图38中展示致动器与支柱的关系以及致动器如何配合在支柱内。

类似于上述换能器，本发明的音条可任选地包含额外特征以使得本发明的换能器可较好地承受它们将在其中使用的环境而不会断裂。可保护本发明的换能器的示范性特征包含：(a)用以限制致动器的最大弯曲的机械止挡件；(b)具有锥形边缘的连接器片；(c)具有锥形边缘的致动器衬底；(d)带有具有锥形边缘的集成连接器片的振动膜；(e)可拆装且可再附接的振动膜；(f)用以限制振动膜的弯曲的机械止挡件；(g)用以阻止对振动膜的边缘冲击的部件，(h)支撑件与振动膜之间的连接器片；以及(i)左侧和右侧上的辅助支撑件。上文描述这些措施中的每一者的优选实施方案。所述措施可个别地或结合地使用以改善具有压电致动器的机械放大声换能器的可靠性。

类似于上文，本发明的音条不需要包含所有特征。举例来说，本发明的音条可不具备额外特征、具备额外特征中的一者、或具备所有额外特征。换句话说，本文所描述的额外特征是任选的，且本发明的实施例不应解释为需要任何额外特征。并且，所述特征的任何组合可与本发明的音条一起使用。

等效物

除本文展示且描述的之外，本发明的各种修改及其许多进一步实施例将从本文档的完整内容对所属领域的技术人员变得显而易见，包含对在此引用的科学和专利文献的参考。本文中的标的物含有重要信息、范例和指南，其可适于本发明在其各种实施例及其等效物中的实践。

Claims (35)

1.一种声换能器，所述换能器包括：

振动膜；

一个或多个压电致动器，其耦合到所述振动膜以造成所述振动膜的移动；以及

部件，其限制所述致动器的弯曲。

2.根据权利要求1所述的换能器，其进一步包括支撑件。

3.根据权利要求2所述的换能器，其中所述换能器采用机械放大。

4.根据权利要求2所述的换能器，其中所述振动膜是弯曲的。

5.根据权利要求2所述的换能器，其中所述致动器的远端耦合到所述振动膜，且所述部件被定位以与所述致动器的远端部分相互作用。

6.根据权利要求2所述的换能器，其中所述部件以可拆装方式耦合到所述换能器。

7.根据权利要求2所述的换能器，其中所述振动膜以可拆装方式耦合到所述致动器。

8.根据权利要求2所述的换能器，其中所述致动器包括第一和第二侧面，且所述部件经配置以仅与所述第一或第二侧面相互作用。

9.根据权利要求2所述的换能器，其中所述致动器包括第一和第二侧面，且所述部件经配置以与所述第一和第二侧面两者相互作用。

10.根据权利要求2所述的换能器，其中所述部件由选自由塑料和橡胶组成的群组的材料构成。

11.根据权利要求2所述的换能器，其中所述部件包括第一和第二垂直侧面以及连接所述第一和第二侧面的顶部部分。

12.根据权利要求11所述的换能器，其中所述部件经设定大小以配合在所述致动器上方。

13.根据权利要求2所述的换能器，其中所述换能器进一步包括将所述致动器耦合到所述振动膜的连接器。

14.根据权利要求13所述的换能器，其中所述部件通过与所述连接器的相互作用而限制所述致动器的弯曲。

15.根据权利要求1所述的换能器，其中所述振动膜由选自由以下各项组成的群组的材料构成：塑料、金属、纸、碳纤维复合物、织物、发泡材料、纸，及其组合。

16.根据权利要求1所述的换能器，其中所述压电致动器是弯曲型压电致动器。

17.根据权利要求16所述的换能器，其中所述弯曲型致动器是单压电晶片致动器、双压电晶片致动器或多压电晶片致动器。

18.根据权利要求1所述的换能器，其中所述部件经配置以不限制所述振动膜的移动。

19.根据权利要求1所述的换能器，其中所述部件一体地耦合到所述致动器。

20.根据权利要求1所述的换能器，其中所述换能器进一步包括基底，且所述部件是所述基底的一体式部分。

21.根据权利要求1所述的换能器，其中所述部件在所述致动器的任一侧上限制所述致动器的弯曲达0.001mm到10mm。

22.根据权利要求1所述的换能器，其进一步包括将所述致动器耦合到所述振动膜的连接器，且其中所述部件通过与所述连接器相互作用而限制所述致动器的弯曲。

23.根据权利要求22所述的换能器，其中所述部件包括在所述连接器的任意侧上的两个独立可调节部分，使得所述连接器与所述部件的每一部分之间的间隙可调节。

24.根据权利要求22所述的换能器，其中所述部件与所述连接器之间的所述间隙是通过以下方式实现：首先在所述部件处于第一位置中的情况下在例如胶合、夹持或焊接等组装操作中固定所述致动器的位置，且随后当所述部件移动到第二位置时实现所设计的所述间隙。

25.根据权利要求24所述的换能器，其中所述部件经配置以当在第一位置中时固定所述致动器的位置且进而确保当所述部件移动到第二位置时所述间隙的准确性。

26.根据权利要求25所述的换能器，其中所述部件和所述连接器沿着它们相互作用的表面相对于所述致动器的中心平面成锥形，使得所述锥形的角度提供准确建立小于正负0.1mm的间隙的方式。

27.根据权利要求26所述的换能器，其中所述锥形的角度是2度。

28.根据权利要求4所述的换能器，其中所述致动器与所述振动膜之间的移动采用机械放大。

29.根据权利要求28所述的换能器，其中多个致动器对所述振动膜动作以使得多个音频信号从所述振动膜单独地发射。

30.根据权利要求29所述的换能器，其中所述多个音频信号包含右和左立体声信号。

31.根据权利要求29所述的换能器，其中所述多个音频信号包含右、左和中央通道。

32.根据权利要求28所述的换能器，其中：

第一致动器可操作地耦合到弯曲的所述振动膜的面，靠近所述面的一端；

第二致动器可操作地耦合到弯曲的所述振动膜的同一个面，靠近所述面的相对端；

且所述第一和第二致动器经配置以在相反方向中同时移动以使得所述振动膜在静置曲率度数附近的较大与较小曲率度数之间振荡。

33.根据权利要求2所述的换能器，其中所述部件通过与所述振动膜的相互作用而限制所述致动器的弯曲。

34.根据权利要求4所述的换能器，其中所述部件通过与所述致动器的相互作用而限制所述致动器的弯曲。

35.根据权利要求4所述的换能器，其中所述振动膜由非压电材料构成。