CN107852550B - 扬声器装置 - Google Patents

Abstract

扬声器装置。扬声器(1)涉及用在标准电动扬声器中的电容振膜(2)位置跟踪并且提供经由电接口感测扬声器(1)的附加方式。现有技术使用音圈来感测扬声器的阻抗。存在双线圈设置，其中第二线圈层被缠绕在音圈的整个高度上，以便在给定电压下实现功率最大化。基于现有技术的C麦克风内的电容原理，扬声器(1)包括被用来加强振膜(2)的球顶。简单的两个线接口感测振膜位置并且仅需要很少量组件。

Description

扬声器装置

技术领域

本发明涉及一种音频换能器，例如将电音频信号转换为声音的扬声器或者将声音转换为电音频信号的受话器。本发明另外涉及一种微型扬声器，其为了高的声输出而被优化并且被设置在诸如移动电话、平板、游戏装置、笔记本或相似装置的小体积的移动装置内。由于这些移动装置内的物理体积非常有限，并且由于音频换能器必须与具有矩形形状的其它模块一起放入移动装置的外壳中，所以微型扬声器经常必须被构造成具有矩形形状因子(factor)。

背景技术

当借助输出功率、线性度和可靠性性来使扬声器的性能最优化时，需要考虑由扬声器的设计所带来的限制。将电接口同时作为驱动振膜的驱动器以及感测振膜的实际位置的传感器是熟知的，并且用在几种复杂的D类放大器中，通过电接口基于静态以及动态收集的参数来对扬声器模拟。一些现有技术的扬声器包括用于感测扬声器中的振膜的位置的传感器。传感器信号可用于跟踪振膜的实际偏差并且避免过大的变形。这样大的变形可能导致振膜触碰扬声器的外壳或者设置在振膜下面的导磁片，这均导致扬声器发出的声音失真。传感器信号可被馈送至放大器中，该放大器放大音频信号，馈送至扬声器的音圈，以便避免振膜的这样大的变形

在一些现有技术的扬声器中，传感器包括第二线圈层，其被缠绕在用于驱动振膜以生成声音的音圈的整个高度上。由于音圈在振动过程中相对于磁路系统的位置不同，导致扬声器的磁路系统的磁通量不均匀分布，产生了振膜电压。这种类型的传感器的缺点在于，第二线圈增加了扬声器的成本和技术复杂度，并且第二线圈增加了扬声器的振动体系的重量，从而降低了扬声器的声音输出功率。

现有技术的扬声器中的另一传感器使用激光来测量振膜距离的变化。这种类型的传感器仅用于大的扬声器，并且它明显增加了扬声器的成本和技术复杂度。

发明内容

本发明的目的在于克服用于移动装置的现有音频换能器缺点。一种用于移动装置，特别是用于微型扬声器的新音频换能器包括传感器，该传感器用于利用球顶与导磁片(扬声器磁系统的一部分)之间的电容来感测振膜的位置。这种新的传感器的优点在于使用作为扬声器的已有部分的机械元件来形成电容器，该电容器的电容随着扬声器内的振膜的位置而变化。这有助于保持扬声器振动系统的低重量，并且保持声音的高质量。这种音频换能器的另外的细节和优点将在以下描述和附图中呈现。

通过阅读以下描述和权利要求书并且通过查看附图，本发明的以上和其它方面、特征、细节、效用和优点将显而易见。

附图说明

本发明的另外的实施方式在附图和从属权利要求中指示。现在将通过附图来详细说明本发明。在附图中：

图1示出现有技术的矩形微型扬声器的相关部分的分解立体图。

图2A示出根据本发明的第一实施方式的具有传感器以跟踪振膜的位置的矩形微型扬声器的相关部分的截面图。

图2B示出图2A的扬声器的振膜的一部分内的传感器的放大图。

图3示出图2A的扬声器的一部分的立体图。

图4示出嵌入图2A的扬声器的振膜中的柔性电路的立体图。

图5示出图2A的扬声器中的传感器的电路的示图。

图6示出图2A的扬声器的传感器信号。

图7示出根据本发明的第二实施方式的具有传感器以跟踪振膜的位置的矩形微型扬声器的相关部分的截面图以及导磁片的一部分内的传感器的放大图。

图8示出具有一个中心传感器以跟踪振膜的位置的图7的导磁片的俯视图。

图9示出具有三个传感器以跟踪振膜的位置的图7的导磁片的俯视图。

图10示出增加了屏蔽的图7的矩形微型扬声器的变型的截面图。

具体实施方式

本文中描述各种设备的各种实施方式。如在说明书中描述并在附图中示出的，阐述了许多具体细节以提供实施方式的总体结构、功能、制造和使用的彻底理解。然而，本领域技术人员将理解，实施方式可在没有这些具体细节的情况下实践。在其它情况下，熟知操作、组件和元件没有详细描述，以免模糊说明书中所描述的实施方式。本领域普通技术人员将理解，本文所描述并示出的实施方式是非限制性示例，因此，可以理解，本文所公开的具体结构和功能细节可为代表性的，未必限制实施方式的范围，实施方式的范围仅由所附权利要求书限定。

贯穿说明对“各种实施方式”、“一些实施方式”、“一个实施方式”或“实施方式”等的引用意指结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施方式中。因此，贯穿说明书所出现的短语“在各种实施方式中”、“在一些实施方式中”、“在一个实施方式中”或“在实施方式中”等未必全部指同一实施方式。另外，特定特征、结构或特性可在一个或更多个实施方式中按照任何合适的方式组合。因此，在没有这样的组合是不合逻辑或不起作用的限制的情况下，结合一个实施方式示出或描述的特定特征、结构或特性可整体或部分地与一个或更多个其它实施方式的特征、结构或特性组合。

图1示出现有技术的矩形微型扬声器1的相关部分的分解立体图。扬声器1包括通常由类似聚醚醚酮(PEEK)和/或丙烯酸酯和/或热塑性弹性体(TEP)和/或聚醚酰亚胺(PEI)的多个层构造而成的振膜2，并且可包括球顶(未示出)以加强振膜2。另外扬声器1包括音圈3，其具有引线4以将电信号馈送至音圈3中。组装的扬声器1的音圈3利用例如胶水固定到振膜2。

扬声器1包括磁路系统5，其具有布置在矩形扬声器1的矩形边上的四个磁体6以及布置在扬声器1的中心磁体7。磁路系统5另外包括导磁装置8，其包括固定到磁体7的导磁片9、固定到磁体6的环状导磁片10以及在与环状导磁片10相对的一侧固定到磁体6的磁钢11。导磁装置8引导并聚焦磁体6和7的磁场到磁间隙12中，在组装的扬声器1中音圈3被布置在该磁间隙12中。

现有技术的微型扬声器1还包括框架13，用来将振膜2与磁路系统5组装并对准。固定到振膜2的音圈3适配在磁间隙12中。框架13通常由模制塑料制成，以允许复杂表面具有开口，从而使得空气流动并与扬声器1的其它部分的固定。音圈3的引线4的端部利用接触焊盘(图1中未示出)焊接，音圈在组装工艺期间被固定在框架13中。

本发明的第一实施方式的相关部分示出于图2A、图2B和图3中。图2A示出矩形扬声器20的相关部分的截面图。图2B示出图2A的区域21的放大图，而图3示出扬声器20的相关部分的立体图。扬声器20包括音圈3、振膜22和磁路系统24。传感器23被设置在振膜22内以便跟踪振膜22的位置。磁路系统24包括设置在振膜下面的磁体26、以及由安装到磁体26的相对侧的导磁片30和磁钢28组成的导磁装置。引线32和34将音圈3连接至驱动器电路(未示出)，所述驱动器电路将电声信号馈送至音圈3中。

在图2B的放大图中示出振膜22的分层构造。振膜22包括上面板层30’、下面板层32’和中间层34’。上面板层30’和下面板层32’均用作加强振膜22的球顶。中间层34’或者振膜22的核心由聚合物材料组成。在现有技术的分层构造振膜中，上面板层和下面板层均由铝箔组成，因为铝无磁性并且具有良好的材料性质以利用有限的重量加强振膜。然而，本发明不限于铝面板层，其它材料也是可以的。

在实施方式中，振膜22的上面板层30’由铝箔组成，而下面板层32’由起到两个功能的柔性电路36组成。柔性电路36加强振膜22(与铝箔的功能相似)，同时支撑传感器23的电子组件。柔性电路36包括与接地区域40电分离的栅区域(gate area)38。传感器23还包括场效应晶体管42和欧姆电阻器44。

如图2B所示并且在图5中的电路中描绘的，场效应晶体管42利用其栅极G连接至柔性电路36的栅区域38，利用其源极S连接至柔性电路36的接地区域40。接地区域40继而连接至电接地46。欧姆电阻器44的一侧电连接至供电电压源(未示出)，另一侧连接至场效应晶体管42的栅极G。

导磁片30也连接至电接地46。柔性电路36的导磁片30和栅区域38形成电容器，该电容器的容量基于栅区域38和导磁片30之间的距离而变化，因此可用于测量振膜22在扬声器20内的位置。

图2A、图2B和图3中未示出用于传感器23的组件和音圈3的引线32、34与扬声器20的固定框架的电连接。然而，这些连接必须能够承受在工作期间将由音圈3的移动和振膜22(以及设置在其内部的传感器23)的振动导致的应力。一种电连接方法是通过柔性电路36(并且具体地，如图4所示的柔性电路36)的配置。

图4中的柔性电路36包括与接地区域40电隔离的栅区域38以及围绕接地区域40布置的多个柔性弹力臂48、50、52、54。弹力臂48、50、52、54机械连接至围绕柔性电路36的周边的外环56。振膜22粘接到盖板(未示出)，并通过外环56与扬声器20结合。外环56在框架上固定时，弹力臂48、50、52、54允许振膜22，包括接地区域40和栅区域38振动。

弹力臂48、50、52、54还用于承载用于传感器23和音圈3的电连接。在图4所示的实施方式中，音圈3的触点经弹力臂48与电接地46连接。音圈3的触点经弹力臂52连接至扬声器20的框架上的第一接触焊盘(未示出)以用于输入驱动扬声器20的电声信号。欧姆电阻器44经由弹力臂50连接至扬声器20的框架上的第二接触焊盘(未示出)以用于提供电压源。并且，场效应晶体管42的漏极连接经由弹力臂54连接至扬声器20的框架上的第三接触焊盘(未示出)以用于输出传感器23的信号。

图5示出用于感测扬声器20中的振膜22位置的传感器23的电路的示图。提供正向电压3伏特，并且将电压馈送至欧姆电阻器44中(在几百Mohm的范围内)和欧姆电阻器58中(在几kOhm的范围内)。电阻器44将充电的载流子分配给电隔离的栅区域38，栅区域38连接至场效应晶体管42的栅极G。电阻器58还连接至场效应晶体管42的漏极D。场效应晶体管42的源极S连接至电接地46。

传感器23的功能如下。经由电阻器44利用由电阻器44的高欧姆电阻所限定的非常小的电流对连接至场效应晶体管42的栅极G的栅区域38进行充电。随着振膜22以听觉区中的频率(20Hz至20kHz)移动，栅区域38与连接至电接地46的导磁片30之间的距离快速变化。结果，栅极G上的电位变化与振膜22的移动对映，并且对在场效应晶体管42的漏极D与源极S之间流动的电流进行调制。图6的曲线图示出由作为振膜22的偏移(以微米为单位)与传感器信号60的代表电压U_D的函数图。

原则上，可使用完整的下面板层32’作为栅区域，但是利用接地区域40和上面板层30’来屏蔽栅区域38防止电磁干扰是有益的。这不仅改进传感器信号60的质量，而且重要的是信号的波形与振膜的实际位移极大地相关。信号的任何劣化(例如，来自移动电话中的显示驱动器的虚假脉冲)将导致振膜的实际位置的过低或过高估计。另外，有利的是将传感器23的电子组件插入振膜22中以便防止在一个弹力臂中栅区域38的高阻抗区域被电磁噪声覆盖。

图7示出根据本发明的第二实施方式的矩形微型扬声器62的相关部分的截面图，其具有传感器64以跟踪振膜66的位置。在此实施方式中，传感器64的电子组件68被并入导磁片70中的间隙(clearance)中。导磁片70的主要功能是将磁场聚焦到磁间隙12中。形成在导磁片70的中部以容纳电子组件68的间隙不应该影响在磁间隙12中所得的磁场。将电子组件68设置在导磁片70中的间隙中而非导磁片70的顶部有这样的优点：没有减小振膜66的下面板层与导磁片70之间的距离，以便允许扬声器62的最大声输出。另外，将电子组件68放置到导磁片70中更有益，因为与振膜22的重量相比振膜66的重量更轻，并且增加了扬声器62的动态空间。

在柔性电路76上以电的方式创建栅区域72和接地区域74，这意味着导磁片70与保持电子器件的柔性电路76之间需要低电阻电连接。振膜66的下面板层为单层，例如铝箔，其充当屏蔽并且也需要连接至电接地。当微型扬声器62连接至AB类放大器时此连接可容易地实现，因为音圈3的连接之一将通过放大器连接至电接地。

在图7所描绘的微型扬声器62中，柔性电路76上的栅区域72被示出在导磁片70的中心，因此，电容式传感器64跟踪振膜的中心的位置。图8描绘了图7所示的导磁片70的俯视图，其中电容式传感器64的栅区域72被定位于导磁片70的中心。通过三线接口78来方便与栅区域72的电连接。跟踪除了振膜的中心之外或代替振膜的中心的区域或许是可取的。另外，包括不止一个栅区域72可能有优势。图9示出导磁片70的俯视图，其具有三个电容式传感器64的三个栅区域72以跟踪振膜66的三个拐角位置。三线接口78提供与各个栅区域72的电连接。有利的是一个振膜上或导磁片上具有不止一个电容式传感器以允许检测振膜的滚振。

根据本发明的另外的实施方式的扬声器可包括两个或四个或者甚至更多传感器栅区域以测量振膜的不同部分的移动。振膜的下面板层可按照柔性电路以外的另一方式来实现。

类似驻极体麦克风中一样，根据本发明的另外的实施方式的扬声器可包括具有固定掺杂的介电材料的栅区域。这提供了将不需要电阻器44的优点。

上面指出了当微型扬声器62连接至AB类放大器时，振膜66的下面板层可通过音圈3的连接而被连接至电接地46。在这种情况下，电容式传感器64将被振膜66的下面板层、音圈3和导磁片70屏蔽。然而，该屏蔽不完美，因为接地连接之间的电阻在音圈阻抗的范围内。然而，该屏蔽足以将传感器信号的信噪比提升几个分贝。

然而，在移动应用中，更常见的是使用D类放大器，在这种情况下不存在接地信号，因为与扬声器的两个连接均被转换。因此，需要使移动装置环境内的高度瞬变的高功率信号的影响最小化的另选方法。

图10示出向电容式传感器64提供屏蔽的一个这样的方法。在微型扬声器62’中，大部分组件与微型扬声器62中的相同。振膜66包括上面板层80和下面板层82，上面板层80和下面板层82用作球顶以加强振膜66。上面板层80和下面板层82可由铝箔或其它导电箔组成。导电层84被应用于音圈3的内表面并且电连接至下面板层82。下面板层82继而连接至传感器64的电子组件68的电接地46。与微型扬声器62相反，需要微型扬声器62’的移动部分(即，振膜66和音圈3)与磁体叠堆(即，磁体26和导磁片70)之间的附加电连接以使下面板层82连接至电接地46。

导电层84也可由铝或其它导电材料制成。另外，导电层84可以是下面板层82的一部分，下面板层82在将音圈3粘接到振膜66的工艺期间可能被简单地折叠。另外，导电层84可以是应用于音圈3的内侧的导电颜色、油漆或其它涂层。可取的是导电层84具有低电阻并且尽可能薄，以使对磁间隙12的干扰最小，因此微型扬声器62’的性能灵敏度损失最小。

上面描述并在附图中描绘的电路在大于1Hz的频率范围中可能特别有用，但是在较低频率中由于阻抗转换组件的高通行为(high-pass behavior)而不太实际。

在期望非常低的频率下的操作的情况下，可检测低至0Hz的电容变化率的传感器电路是可取的。一个这样的电路可采用不受低截止频率限制的RF区域中的振荡器的频率调制。

存在用于在0Hz下传感器电容的读出的不同方法，所述不同方法包括振荡器原理、时间常数测量、西林电桥以及利用已知电荷对电容充电。这些方法的示例实现方式(特别是使用微控制器)在

V.,

Rajs,V.,

M.(2011年9月)Solution of Capacitive Touch Panel for Robust Industrial and Public Usage(第十五届国际工业系统科学会议的会刊，2011年9月14-16日，塞尔维亚诺维萨德，第140–144页)中有所描述。

最后，应该注意的是，本发明不限于上面所提及的实施方式和示例性工作示例。进一步的开发、修改和组合也在本发明权利要求书的范围内，并且是本领域技术人员从以上公开可掌握的。因此，本文所描述并示出的技术和结构应该被理解为例示性和示例性的，并非限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求书限定，包括已知等同物以及在提交本申请时无法预见的等同物。

Claims (15)

1.一种扬声器装置包括：

磁路系统，该磁路系统包括：

磁钢，该磁钢具有第一水平侧面以及连接至所述第一水平侧面的至少两个垂直侧面，所述至少两个垂直侧面大体彼此平行并且大体垂直于所述第一水平侧面；

永磁体，该永磁体被设置在所述磁钢的所述第一水平侧面上；以及

导磁片，该导磁片被固定到所述永磁体上；

音圈，该音圈围绕所述永磁体设置在由所述永磁体和所述磁钢的所述垂直侧面所限定的空间中；

振膜，该振膜与所述音圈粘接；以及

电容式传感器，该电容式传感器被配置为跟踪所述振膜相对于所述导磁片的位置，

其中，所述电容式传感器包括嵌入所述振膜中的电子组件。

2.根据权利要求1所述的扬声器，其中，所述电容式传感器包括栅区域，并且其中，所述栅区域和所述导磁片形成电容器，该电容器的容量基于所述栅区域和所述导磁片之间的距离而变化。

3.根据权利要求2所述的扬声器，其中，所述振膜包括：

下面板层，所述下面板层朝向所述永磁体；

上面板层；以及

至少一个中间层，所述至少一个中间层在所述下面板层和所述上面板层之间。

4.根据权利要求3所述的扬声器，其中，所述下面板层包括柔性电路，所述柔性电路电耦接至所述电容式传感器的所述电子组件。

5.根据权利要求4所述的扬声器，其中，所述柔性电路包括：

接地区域，该接地区域电耦接至电接地；

栅区域，该栅区域被所述接地区域环绕并且与所述接地区域电隔离；

外环，所述外环在所述柔性电路的周边上；以及

多个弹力臂，所述弹力臂将所述外环机械地连接至所述接地区域，所述弹力臂被配置为提供到所述电容式传感器的所述电子组件的电连接，

其中，所述柔性电路被配置为允许所述接地区域和所述栅区域相对于所述外环在横向方向上移动。

6.根据权利要求1所述的扬声器，其中，所述电子组件包括欧姆电阻器和场效应晶体管。

7.根据权利要求6所述的扬声器，其中，所述欧姆电阻器具有大于100MOhm的电阻。

8.根据权利要求7所述的扬声器，其中，所述欧姆电阻器具有大于200MOhm的电阻。

9.根据权利要求8所述的扬声器，其中，所述欧姆电阻器具有大于200MOhm的电阻。

10.根据权利要求1所述的扬声器，其中，所述电容式传感器包括设置在所述导磁片间隙中的电子组件。

11.根据权利要求10所述的扬声器，其中，所述电容式传感器包括栅区域，并且其中，所述栅区域和所述振膜形成电容器，该电容器的容量基于所述栅区域和所述振膜之间的距离而变化。

12.根据权利要求10所述的扬声器，该扬声器还包括屏蔽层，该屏蔽层应用于所述音圈的朝向所述永磁体的内表面，其中，所述屏蔽层导电并且电耦接至电接地。

13.根据权利要求12所述的扬声器，其中，所述振膜包括不同材料的至少两个层，其中朝向所述永磁体的层为导电层，并且其中，所述屏蔽层与所述振膜的所述导电层一体地成型。

14.根据权利要求12所述的扬声器，其中，所述屏蔽层是导电涂层。

15.根据权利要求12所述的扬声器，其中，所述屏蔽层是铝箔。

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