CN106165447B - 改进的静电式换能器 - Google Patents

Abstract

一种静电式换能器(100)，包括具有通孔(112)阵列的导电第一构件(102)，以及一个以上的另外构件(104、106)。所述一个以上的另外构件(104、106)包括柔性导电第二构件(106)，其布置成在使用中通过响应于应用到第一构件(102)和第二构件(106)中的一个或全部的电势的静电力从平衡位置朝向第一构件(102)移位。一个以上的另外构件中的至少一个(104)是可弹性变形的，并布置成在使用中施加弹性偏向力以使第二构件(106)在由于所述电势偏离平衡位置时偏置返回至所述平衡位置。

Description

改进的静电式换能器

技术领域

本发明涉及一种静电式换能器，特别是但不仅限于适于重现音频信号的扬声器。

背景技术

传统的静电式扬声器包括设置在两个多孔导电背板之间以形成电容器的导电膜。直流偏压作用于该膜，而交流信号电压作用于两个背板。可能需要数百甚至数千伏的电压。信号导致了施加于带电荷的膜上的静电力，该带电荷的膜移动从而驱动在其任一侧的空气。

在US 7095864中，公开了一种包括多层板的静电式扬声器。电绝缘层夹在两个导电外层之间。绝缘层在其一侧上具有圆形凹陷。当直流偏压加到两个导电层上时，其中一层的部分被吸引到绝缘层上从而形成了跨越凹陷的小鼓皮。当施加交流信号时，鼓皮共振，并且部分导电层振动从而产生了要求的声音。

在WO 2007/077438中公开了包括多层板的又一种类型的静电式扬声器。电绝缘层夹在两个导电外层之间。在这种布局中，其中一个导电外层是多孔的，例如可以是设有尺寸通常是0.11mm的孔隙的编织丝网。

在US 2009/0304212中公开了一种包括导电背板的静电式扬声器，该导电背板设有通气孔阵列以及间隔件阵列。在该背板上放置有包括介电体和导电膜的膜。背板和膜之间的间隔大约是0.1mm，施加于导电背板和导电膜的低电压会推动膜从而生成音频。

该类型静电扬声器的一个问题是使膜获得足够的位移。WO 2012/156753公开了一种静电式换能器，包括具有通孔的导电第一层，在第一层上的柔性绝缘第二层，和设置在第二层上的柔性导电第三层。在第一和第二层之间或者在第二和第三层之间设置间隔。第一和第二层之间的间隔允许第二和第三层运动的更大自由度，允许第二和第三层更大的位移。发现第二和第三层之间的间隔也能改进声学性能。

然而，仍需要进一步改进这种类型静电式换能器的声学性能。

发明内容

从第一方面看时，本发明提供的静电式换能器包括：具有通过孔阵列的导电第一构件；以及一个以上的另外构件，

其中所述一个以上的另外构件包括柔性导电第二构件，其布置成在使用中通过响应于应用到所述第一构件和所述第二构件中的一个或全部的电势的静电力从平衡位置朝向所述第一构件移位，

并且其中所述一个以上的另外构件中的至少一个是可弹性变形的，并布置成在使用中施加弹性偏向力以使所述第二构件在由于所述电势偏离所述平衡位置时偏置返回至所述平衡位置。

可弹性变形构件从而储存弹性势能，由于其在第二构件朝向第一构件移位时变形。当电势下降时，创造该势能的力下降，并且可弹性变形的构件部分或者完全恢复回到其未变形的状态，在第二构件上施加对应的反向力。可弹性变形的构件因此充当弹簧，使得第二构件更快速地恢复到其平衡位置。已经发现这能改进换能器的声学性能。例如这种布置可以增加可用频率范围，并且提高由换能器产生的声音的整体品质。在一些实施例中已经观察到，这种布置在200Hz和5kHz之间的声压级中表现出6dB的增加。

如上概述的本发明可以被应用到所谓的推挽式换能器，其中导电构件被设置在柔性导电第二构件的任一侧，以在两个方向上移动其。然而在优选实施例中，所述换能器布置成在使用中，应用电势，所述电势只产生导电第一构件和柔性导电第二构件之间的静电吸引力。在这种布置中，只有单个导电第一构件是必须的。但是上文提到的回复力允许实现良好的声学性能。

可弹性变形的构件可以被布置成，通过所述第二构件的移位处于拉伸或者压缩的状态。

在一些实施例中，柔性导电第二构件也是提供偏向力的可弹性变形的构件，因此，静电式换能器可以只具有两个部件：刚才描述的导电第一构件，和柔性以及弹性导电第二构件。

在一些实施例中，静电式换能器包括至少三个构件：导电第一构件、柔性导电第二构件，以及在第一和第二构件之间的柔性电绝缘第三构件。在这些实施例中，第二和第三构件中的一个或全部是可弹性变形的，并且提供规定的偏向力。若第三构件可弹性变形，则其可弹性压缩。当电势被应用到第一和第二构件，它们被吸引到一起。弹性第三构件受到将第一和第二构件吸引到一起的电场力被压缩，并且其施加作为对于这种压缩反应的恢复力的偏向力。

在一些实施例中，所述柔性导电第二构件可以可以延伸遍布所述第一构件，并且可弹性变形的第三构件可以延伸遍布所述第二构件。第三构件可以至少部分地结合到第二构件，尽管这不是必须的。这些实施例的第二和第三构件从而形成了复合结构。据信，可弹性变形的第三构件的存在，使得包括第二和第三构件的复合结构，在电势下更加弹性地变形。复合层的该属性引起，在电势下降时朝着平衡位置更快速地移动变形复合结构的弹簧力，从而改进换能器的声学性能。

在一些实施例中，所述可弹性变形的构件凭借其具有的非平面轮廓(例如，复杂的3D轮廓)可弹性变形。所述轮廓可以包括多个局部突出部分。突出部分可以是连续的(具有表现出平滑变化坡度的轮廓，例如在波纹的情况下)，或者可以是离散的，例如阶梯形突出。突出部分可以具有任何合适的形状，例如它们是圆形的。突出部分可以具有任何合适的排列或图案，例如图案可以是规则的或随机的。在一些实施例中，突出部分具有正方形的晶格排列。在一些实施例中，凸起区域可以具有六方密堆排列。

这种非平面的轮廓可以通过任何合适的手段来实现，例如模制，但是在一些实施例中，非平面轮廓可以压印构件来实现。任何合适的压印技术都可以被使用，可以根据制造构件的材料来优选压印技术。在一些优选实施例中，使用热压印来压印可弹性变形的构件。

只要是可弹性变形的构件的突出部分都可以具有任何合适的形状和尺寸。在一些实施例中，所述突出部分平行于所述可弹性变形的构件的中间面的最大尺寸在1mm至20mm之间，例如在5mm至10mm之间。

通常，可以对突出部分的形状、尺寸和排列进行选择，以实现可弹性变形的构件的最佳弹簧常数。

可弹性变形的构件的最佳有效厚度(即，若构件被压型，则为3D轮廓的深度)可以取决于第一构件对于第二构件所需要的变形度，也可以取决于第一构件对于第二构件所需要的接近度。例如，若被压型的第三构件被设置在第一和第二构件之间，如果第三构件的有效厚度太大，这将减少第一和第二构件之间的静电力，这可能对换能器的性能产生不利地影响。相反，如果有效厚度太小，这可能减少可弹性变形的构件能够提供的恢复弹簧力，这可能减少可以实现的潜在利益。在一些实施例中，可弹性变形的构件的有效厚度在0.25mm至10mm之间。

单个构件中的该轮廓可以包括一系列的形状、尺寸和/或布置。例如，与中间相比，可以朝着构件的边缘设置不同的图案。这种变化也可以帮助提供最佳弹簧常数或者穿过构件的弹簧常数的变化。

若换能器包括在第一和第二构件之间的柔性电绝缘第三构件，并且若第二和第三构件都被压型以便可弹性变形，各自的轮廓图案可以被布置成，第二构件的突出部分的位置与第三构件的突出部分不重叠。这可以有助于第一和第二构件对于第三构件的压缩。同样地，也可以有助于第二构件的压缩。

在一些实施例中，若第二和第三构件都被压型，所述第二和第三构件的各自的轮廓图案相反，即若第三构件突出，则第二构件不突出，反之亦然。从而对于该特定的图案，第二构件的非突出部分和第三构件的突出部分之间的接触被最大化，因此增强了第二和第三构件的压缩。

除了如上所述的，第二和第三构件被结合以形成复合结构以外，构件也可以是分离的，即彼此独立地自由移动。因此在这些实施例中，这些构件可以仅在所述换能器的边缘连接。在其他的实施例中，这些构件可以部分地或者横跨它们整个表面地结合在一起。例如，这些构件可以在将它们完全分隔开的结合线结合。可以在第一和第二构件之间提供结合。若换能器包括位于第一和第二构件之间的第三构件，可以在第一和第三构件之间、第三和第二构件之间，或者既在第一和第三构件之间又在第三和第二构件之间，提供结合。构件之间的结合可以具有忽略不计的厚度，或者可以用作分离构件的间隔件。

第一、第二和/或第三构件包括基本上平面的片材。

导电第一构件可以由任何合适的材料或者材料的组合制成。导电第一构件优选刚性的，但也可以是半刚性的或者柔性的。例如，所述导电第一构件可以是包括聚合物片的复合层，所述聚合物片具有通过金属化应用在其上的导电层，例如通过气相沉积。导电层可以包括铝。或者，第一构件可以包括金属片。在一些实施例中，金属片为铝。

第一构件中的孔可以是圆形的。所述孔平行于所述第一构件的中间面的最大尺寸在0.5mm至10mm之间，例如大约1.5mm。所述孔之间的间距可以在0.5mm和2mm之间，例如大约1mm。文中根据孔间距而使用的术语“间距”，其含义是相邻的孔最近的边之间的距离(即，孔之间材料的厚度)，而不是，例如，相邻孔的中心之间的距离。

只要是柔性绝缘第三构件都可以由任何合适的材料或者材料的组合制成，但是优选其由聚合物，例如聚酯膜制成。

柔性导电第二构件可以由任何合适的材料或者材料的组合制成，但是优选其由金属化聚合物片制成。例如，第二构件可以由通过金属化在上面设置有铝层的聚酯高分子片制成。

为了最大限度地增加第二构件在电场力影响下的可实现的移位，需要的第二和第三构件，以缩短电势应用到的第一和第二构件之间的分离。这尤其适用于如果第二和第三构件中的一个未被压型的情况。

若第二构件不具有3D轮廓，它的厚度可以小于50μm，例如厚度小于30μm，例如厚度大约10μm。若第三构件不具有3D轮廓，它的厚度可以小于50μm，例如厚度小于30μm，例如厚度大约10μm。

对于被压型的构件，所述构件由于压型，有效厚度将有增加，可以如上文所讨论的对此进行优化。制成所述构件的材料的厚度可以影响所述构件的弹簧常数。因此，可以对材料的厚度进行选择以产生所需的弹簧常数。

若第二构件具有3D轮廓，它可以由厚度小于50μm的片材制成，例如由厚度小于30μm的片材制成，例如由厚度大约10μm的片材制成。若第三构件具有3D轮廓，它可以由厚度小于50μm的片材制成，例如由厚度小于30μm的片材制成，例如由厚度大约10μm的片材制成。

每个构件的厚度可以是常数，或者可以横跨换能器变化。

附图说明

仅作为示例，现参照附图描述某些实施例，其中：

图1为穿过根据本发明一个实施例的换能器的图解剖面，其中换能器包括压印柔性电绝缘构件；

图2为图1换能器的压印绝缘构件的平面图；

图3为穿过根据本发明另一个实施例的换能器的图解剖面，其中换能器包括柔性绝缘构件，并且其中压印有柔性导电构件；

图4为穿过根据本发明进一步实施例的换能器的图解剖面，其中换能器包括压印柔性绝缘构件，并且其中压印有柔性导电构件；

图5为图4换能器的部分的图解平面图，示出了覆盖在压印绝缘构件上的压印柔性导电构件；

图6为穿过根据本发明进一步实施例的换能器的图解剖面，其中换能器由两个构件组成，并且压印有柔性导电构件；

图7为穿过根据本发明进一步实施例的换能器的图解剖面，其中换能器包括覆盖在柔性导电构件上并结合至其上的压印柔性绝缘构件。

具体实施方式

图1示出换能器100，包括3mm厚的第一构件或背板102。第一构件102由绝缘聚合物片制成，通过金属化工艺其上表面设有导电层(未示出)。可弹性变形的电绝缘构件104延伸遍布第一构件102，其由10μm厚的聚合物片制成。复合第二构件106延伸遍布可变形的绝缘构件104，其是柔性且导电的。复合第二构件106包括柔性绝缘聚合物片108，其具有通过金属化覆盖其上的导电层110。导电层110在聚合物片108背对绝缘构件104的表面上。第二构件106具有10μm的厚度，尽管在其他实施例中可使用其他厚度。

第一构件102设有通孔112的阵列。这些孔112为直径1mm的圆形，且孔间间距为1mm。通孔112以规则正方形的晶格排列定位。

可弹性变形的绝缘构件104压印有图案，以便在较低区域116之间设置突出区域114。在本实施例中，突出区域114为长度2.5mm、间距2mm的椭圆形区域。然而，在其他实施例中，突出区域114可使用其他尺寸和间距。在本实施例中，突出区域114以如图2所示的正方形晶格排列布置。绝缘构件104的压印提供了有效厚度为0.5mm的层。由制成绝缘构件104的聚合物的压印和柔性实现的3D轮廓为绝缘构件104提供了可弹性压缩的性能。这意味着，当绝缘构件104在第一构件102和第二构件106之间被压缩时，绝缘构件104弹性变形，以允许其他两个构件102、106靠近彼此，但也提供了倾向于将构件102、106推开的弹性偏向力。

当换能器工作时，电势施加到第一构件102以及第二构件106的导电层110。电势由添加至交流驱动信号(+/-200V)的直流电势(250V)构成，所述交流驱动信号对应所需的声音。这导致电势可在50V和450V之间变化，取决于所需的声音波形。电势引起第一构件102和第二构件106之间取决于电势强度的静电吸引力。作为该力的结果，第二构件106移向第一构件102，使其周围的空气移动。由此产生了电信号的声学响应。

可弹性压缩的绝缘构件104的作用在于在第一构件和第二构件106在静电势的影响下朝向彼此移动时，提供弹簧偏向力。当静电电势下降时，由可弹性压缩的绝缘构件104提供的偏向力占优势，并将第一构件102和复合构件106推开，回到它们的平衡位置。可弹性压缩的构件104因此用作复位弹簧，在电势下降后，使复合构件106更快地恢复至其平衡位置，从而提高换能器的声学性能。

图2示出了图1实施例的压印绝缘构件104的平面图。压印绝缘构件104在非突出区域116之间设有突出区域114的阵列。突出区域114为长度2.5mm的椭圆形。突出椭圆区域114以正方形的晶格排列布置，使得突出区域114之间的间距具有与椭圆区域的长度大致相同的长度尺寸。在其他实施例中，长度尺寸可不同、相似或完全相同的。取决于图案，“突出”区域能够朝着或者远离第一构件102突出。

在其他实施例中，突出区域的其他形状尺寸和布置也是可能的。例如，突出区域可以是圆形的。在其他实施例中，突出区域可具有，例如，1mm的尺寸和1mm的间距，或者4mm的尺寸和4mm的间距，或者4mm的尺寸和1mm的间距。在其他示例性实施例中，突出区域可以不同图案布置，例如六方密堆(hexagonal close-packed)积晶格排列，或者凸起区域可随机布置。凸起区域的图案或布置可以在压印绝缘构件104的整个表面变化。

图3示出换能器300的替代实施例。在该实施例中，第一构件302为5mm厚，尽管其他厚度也是可能的。第一构件302由聚合物片制成，具有通过金属化在其一个表面上应用的导电层。在该实施例中，金属化为铝层，尽管其他金属可用于金属化，或者可使用固体金属片。柔性电绝缘片构件304在邻近金属化层的表面上延伸遍布第一构件302。绝缘构件304由高分子聚酯膜(polymer Mylar)片制成，尽管也可以使用其他材料或者其他聚合物。聚合物片具有10μm的厚度，尽管其他厚度也是可能的。

柔性导电复合第二构件306延伸遍布绝缘板302。复合第二构件306包括其上覆盖铝金属化层310的柔性聚合物片308。在该实施例中，第二构件306被压印以便提供突出区域314和非突出区域316。复合构件306的压印使其具有0.5mm的有效厚度。复合构件306的三维结构为其提供了可弹性变形的性能。

在换能器工作过程中，电势提供给第一构件302以及第二构件306的金属化层310，使得这些构件相互吸引。当第二构件306朝向第一构件302移动时，它通过绝缘构件304与第一构件302分离。一旦第二构件306接触绝缘构件304，绝缘构件304的反作用力阻止绝缘构件304的非突出区域316进一步移动更靠近第一构件302。然而，由于电势，突出区域314可在静电力作用下继续朝向第一构件302移动。由于第二构件306和第一构件302之间的吸引力，第二构件306因此被压缩。当静电电势下降时，可弹性压缩的第二构件306返回至其非变形状态，弹起离开绝缘构件304。由于弹簧力，第二构件306因此更快地从第一构件302移向其平衡位置，从而提供了换能器300改进的声学性能。

图4示出根据本发明进一步的实施例。在该实施例中，换能器400包括导电的第一构件402。该构件为6mm厚，并且例如由其上具有金属化层的聚合物片制成。第一构件402设有以六方密堆积晶格排列的通孔412的阵列。通孔412具有1mm的尺寸和1mm的间距。在第一构件402上，邻近金属化层，设置了柔性绝缘构件404。绝缘构件404被压印，以便在非突出区域416之间设置突出区域414。突出区域为圆形，具有3mm的直径和3mm的间距。所述突出区域414以正方形的晶格排列布置。制成压印第二层404的聚合物层为10μm厚。层404的压印使其具有0.8mm的有效厚度。

柔性导电复合第二构件406延伸遍布第二层404，所述柔性导电复合第二构件406包括聚合物片408，其具有应用在其一个表面上的金属化层410。聚合物片408加上金属化层410的厚度为10μm。第二构件406也被压印并且具有0.8mm的有效厚度。第二构件406的压印在非突出区域420之间设置了突出区域418。突出区域418也为圆形。突出区域418具有3mm的直径。突出区域418之间的间距420和绝缘构件404的突出区域414之间的间距416相同，即3mm。这使得对齐压印构件404、406成为可能，使得绝缘构件404的突出区域414与第二构件406的非突出区域420相一致，而第二构件406的突出区域418与绝缘构件404的非突出区域416相一致。下文将参照图5进一步描述这种布置。

图5示出了图4中示出的实施例的绝缘构件404和复合构件406的图解平面图。绝缘构件404由虚线表示，而第二构件406由实线表示。两个构件404、406的突出区域414和418以正方形的晶格排列布置。然而，如图5所示，第二构件406的突出区域418沿x和y方向偏移半个晶格间距，使得突出区域414在形成正方形的每组四个突出区域414之间定位在非突出区域420的中心。这使得突出区域414被非突出区域420压缩，使得第二构件406朝向第一构件402移动时，绝缘构件404被压缩。突出区域414因此也能够在第二构件406被吸引朝着第一构件402时，提供对抗非突出区域420的反作用力。正如上文参照图3所描述的，该反作用力有利于第二构件406的压缩。

在有关图4实施例的变化中，压印构件404、406中的一个的压印可以倒置，使得这些构件中的一个设置有圆形突出区域，而另一个构件在相反方向设置有圆形突出区域。在这些变型中，各自的圆形突出区域可以布置成精确重合，使得两个构件套叠，从而最大化它们之间的接触面积。

在图4和5换能器的作用下，电势应用到第一构件402和第二构件406的导电金属化层410，使得构件402、406相互吸引。在电势作用下，第一构件402和第二构件406朝向彼此移动。在第一构件402和第二构件406之间的压印绝缘构件404因此被压缩。按图3所描述的相同的机理，压印第二构件406由于自身和第一构件402之间的吸引力以及绝缘构件404的反作用力也被压缩。

当第一构件402和复合构件406之间的电势下降时，按上文图2和3所描述的相同的机理，绝缘构件404和第二构件406的弹簧力更快速地将复合构件406推向其平衡位置。从而改进换能器的声学性能。

图6示出包括第一构件602和复合第二构件606的换能器600的实施例。在该实施例中，在第一构件602和第二构件606之间没有另外的柔性绝缘构件。第一构件602为具有通孔612的导电构件。第一构件602由聚合物片制成，在其一个表面上具有金属化层，第一构件602厚度1mm。在其他实施例中，它同样可以是金属。第二构件604在邻近金属化的一侧延伸遍布第一构件602。第二构件606是柔性且导电的，并且包括柔性聚合物片608，在其背对第一构件602的表面上具有金属化层610。第二构件606被压印使得其可弹性压缩。压印在相对非突出区域616之间提供了突出区域614。

在换能器的作用下，电势应用到第一构件602和第二构件606的金属化层610。该电势使得第一构件602和复合构件606相互吸引。其上设置金属化层610的聚合物片防止导电金属化层610和第一构件602之间的接触，从而防止它们之间的电荷流动。在静电势的吸引下，复合第二构件606按图3实施例的复合构件306所描述的相同的机理被压缩。第二构件606因此提供了弹簧力以在静电势下降时使其更快地恢复至其平衡位置，从而改进了换能器600的声学性能。

图7示出了包括第一构件702和复合结构704的换能器700的实施例。第一构件702为具有通孔712的导电铝板。第一构件为4mm厚，孔为具有1mm直径和1.5mm间距的圆形。复合结构704延伸遍布第一构件702，并且是柔性且导电的。它包括柔性聚合物片708，其具有在其背对第一构件702的表面上的金属化层710，以及结合至金属化层710的压印柔性绝缘构件706。

在换能器的作用下，电势应用到第一构件702和复合结构704的金属化层710。该电势使得第一构件702和复合结构704相互吸引。复合结构704朝向第一构件702移位。由于复合结构704中压印构件706的存在，复合结构704弹性变形，并在静电势下降时，从其变形形状弹回至其未变形形状。复合结构704因此提供了弹簧力以在静电势下降时从第一构件702更快地恢复至其平衡位置，从而改进了换能器700的声学性能。

Claims (11)

1.一种静电式换能器，包括：

具有通孔阵列的导电第一构件；

柔性导电第二构件，其布置成在使用中通过响应于应用到所述第一构件和所述第二构件中的一个或全部的电势的静电力从平衡位置朝向所述第一构件移位；以及

柔性电绝缘第三构件，其在所述导电第一构件和所述柔性导电第二构件之间；

其中所述柔性导电第二构件包括基本上平面的片材；

其中所述柔性电绝缘第三构件凭借被压印而可弹性压缩使得其具有非平面轮廓；并且

其中所述柔性电绝缘第三构件布置成在使用中施加弹性偏向力以使所述第二构件在由于所述电势偏离所述平衡位置时偏置返回至所述平衡位置。

2.如权利要求1所述的静电式换能器，其中所述换能器布置成在使用中应用电势，所述电势只产生所述导电第一构件和所述柔性导电第二构件之间的静电吸引力。

3.如权利要求1所述的静电式换能器，其中所述非平面轮廓包括多个局部突出部分。

4.如权利要求3所述的静电式换能器，其中所述局部突出部分平行于所述柔性电绝缘第三构件的中间面的最大尺寸在1mm至20mm之间。

5.如权利要求1到4中任一所述的静电式换能器，其中所述柔性电绝缘第三构件的有效厚度在0.25mm至10mm之间。

6.如权利要求1到4中任一所述的静电式换能器，其中所述第一构件，第二和第三构件仅在所述换能器的边缘连接。

7.如权利要求1到4中任一所述的静电式换能器，进一步包括在以下至少一组之间结合：所述第一和第二构件之间；所述第一构件和第三构件之间；和所述第二构件和第三构件之间。

8.如权利要求1到4中任一所述的静电式换能器，其中所述第一构件中的孔平行于所述第一构件的中间面的最大尺寸在0.5mm至10mm之间。

9.如权利要求1到4中任一所述的静电式换能器，其中所述第一构件中的孔之间的间距在0.5mm至2mm之间。

10.如权利要求1到4中任一所述的静电式换能器，其中所述导电第一构件为包括聚合物片的复合层，所述聚合物片具有通过金属化应用在其上的导电层。

11.如权利要求1到4中任一所述的静电式换能器，其中所述柔性导电第二构件由金属化聚合物片制成。