CN108605410B - 具有嵌入式声学通道的电路板 - Google Patents

Abstract

可以被用于头戴式受话器中的电路板组件(60)包括整合到刚性或者柔性电路板(62)的声学元件。电路板组件准许在头戴式受话器的声腔之间进行电路系统(68)和声学元件(诸如，声学端口(70))的方便布线。声学端口包括嵌入在电路板中的通道。使用传统的电路板组装技术实现对声学通道的尺寸的控制。有利地，电路板组件使得能够方便以及可重复的组装到头戴式受话器(诸如，耳塞)中，并且使得该头戴式受话器的声学性能更加一致。

Description

具有嵌入式声学通道的电路板

相关申请

本申请要求2016年2月10日提交的美国专利申请序列号15/040，465的优先权和权益，其全全部内容通过引用并入本文。

背景技术

本公开主要涉及具有嵌入式声学通道的电路板，以及更具体地，涉及具有嵌入式声学通道以及集成声学元件的柔性电路板。

发明内容

在一个方面，电路板包括电介质衬底，电介质衬底具有上表面、下表面、以及设置在上表面与下表面之间的通道。电介质衬底具有第一孔隙和第二孔隙，每个孔隙从上表面与下表面中的一个延伸到衬底的厚度中。通道具有从第一孔隙延伸到第二孔隙的长度。通道以及第一孔隙和第二孔隙限定了声学通道，其中声学通道基本上沿电介质衬底内的长度进行延伸。

示例可以包括以下特征中的一项或多项：

电介质衬底可以包括上层、下层以及设置在上层与下层之间的中间层。通道被形成在中间层中。第一粘接层可以被设置在上层与中间层之间，第二粘接层可以被设置在中间层与下层之间。中间层可以包括中间层表面对，其中电迹线形成在中间层表面中的至少一个上。上层、下层以及中间层中的至少一个是金属层、接合片、加强层以及粘接层中的至少一种。电介质衬底可以包括多个中间层，多个中间层具有在中间层的至少两个之中形成的通道。在中间层的至少两个之中形成的通道通常可以具有椭圆形横截面。

电介质衬底可以包括与第二层相邻的第一层，通道被设置沿着与第二层的表面相邻的第一层的表面。第一层和第二层中的一个可以是金属层、接合片、绝缘层以及加强层。粘接层可以被设置在第一层与第二层之间。

至少一个电迹线可以在电介质衬底的上表面和下表面中的至少一个上形成。电介质衬底可以是柔性电介质衬底或者刚性电介质衬底。通道可以具有方形横截面。

根据另一方面，头戴式受话器包括耳塞体、声学元件和电介质衬底。耳塞体具有包括第一声腔和第二声腔的内部体积。声学元件被设置在第一声腔与第二声腔之间的内部体积中。电介质衬底被设置在内部体积中，并且具有从第一声腔的第一端延伸到第二声腔的第二端的长度。电介质衬底包括上表面、下表面和设置在上表面与下表面之间的通道。电介质衬底具有第一孔隙和第二孔隙，每个孔隙从上表面与下表面中之一延伸到衬底的厚度中。通道从第一孔隙处的第一通道端延伸到第二孔隙处的第二通道端。该通道以及第一孔隙和第二孔隙限定了第一声腔与第二声腔之间的声学通道。

示例可以包括以下特征中的一项或多项：

电介质衬底可以是柔性电介质衬底或者刚性电介质衬底。通道可以具有方形横截面。

电介质衬底可以包括上层、下层和设置在上层和下层之间的中间层，其中通道被形成在中间层内。第一粘接层可以被设置在上层与中间层之间，第二粘接层可以被设置在中间层与下层之间。上层、下层以及中间层中的至少一个是金属层、接合片、加强层以及粘接层中的至少一种。可以存在多个中间层，并且通道可以被形成在中间层的两个或多个之中。形成在中间层中的通道通常可以具有椭圆形横截面。

电介质衬底可以包括与第二层相邻的第一层，其中通道沿着与第二层的表面相邻的第一层的表面设置。粘接层可以被设置在第一层与第二层之间。第一层和第二层中的一个可以是金属层、接合片、绝缘层和加强层中的一种。

附图说明

通过参考以下描述并结合附图，可以更好的理解本发明构思的示例的上述和进一步的优点，其中相同的数字指示各个附图中的相同结构元件和特征。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明特征的和实施的原理上。

图1是传统的基于反馈的声学降噪耳塞的示例的横截面图示。

图2是包括柔性电路板部件的耳塞的一部分的横截面图。

图3A和3B分别是具有嵌入式声学通道的柔性电路板的示例的俯视图和透视图。

图4A、4B和4C分别是具有声学通道的电路板的示例的俯视图、横截面侧视图和横截面端视图的简化图示，并且图4D呈现了图4B所示孔隙的备选配置。

图5A、5B和5C分别是具有声学通道的电路板的另一示例的俯视图、横截面侧视图以及横截面端视图。

图6A、6B和6C分别是具有声学通道的电路板的又一示例的俯视图、横截面侧视图以及横截面端视图。

图7A、7B和7C分别是具有声学通道的电路板的再一示例的俯视图、横截面侧视图以及横截面端视图，并且图7D呈现了关于图7C所示横截面视图的备选结构配置。

具体实施方式

本文所用术语仅用于描述特定示例和实现方式的目的，并未意在限制。除非本文另有定义，否则本文使用的全部术语具有与本领域技术人员通常理解的含义相同的含义。

术语“体”通常指物体或者结构。体可以包括特征以允许一个或多个组件被设置在体内(例如，嵌入在体内或者设置在体室或者体腔中)，体的表面，或者使用接线柱或者连接器(或者通过一个或多个介于中间的结构)接合到体。

如本文所用，“电介质衬底”意味着由至少一层电介质材料形成的衬底。电介质衬底可以包括不是电介质的一层或多层额外的介质层，例如，导电层、接合片、电绝缘层和粘接层。

“电路板”是指具有一个或多个电介质片或层或者绝缘材料片或层的柔性结构或者刚性结构。电路板包括在至少一个表面上和/或结构内的一个或多个导电路径、或者“迹线”。多层电路板包括固定在一起的层以形成层压板。电路板可以包括安装到或形成在电路板结构上或者电路板结构中的一个或多个电子部件，并且其有时被称为电路板组件。

术语“耳塞”是指至少部分可插入耳朵中的耳机。耳塞还包括入耳式耳机和类似设备。

耳塞可以包括声腔、或者声室，其由用作声学质量(mass)和/或声学阻抗的调谐声学元件连接。声腔通常包括连接到定位于耳塞内的麦克风、扬声器以及其他传感器的电线。该布线可以穿过耳塞体的一个或多个壁，一个或多个壁限定或者分离了声腔。在很多实例中，声学元件的物理尺度小于一毫米。因此，声学元件以及组装的耳塞的可重复制造通常具有挑战性，尤其是当元件被模制为塑料耳塞部分时。在密封声腔内可以产生高静态压力。为了防止高静态压力的发生并且允许适当的声学调谐，通常在耳塞体内提供小横截面尺度的声学端口。由于制造工艺中的限制，包含声学端口可能是具有挑战性的。

以下描述的各种实现方式允许耳塞中的声学元件整合到刚性或者柔性电路板组件中以创建单个结构，单个结构准许在声腔之间进行电路和声学元件(例如声学端口)的布线。有利地，声学端口的尺度控制主要由电路板组装技术确定。因此，根据本文所述原理制造的电路板组件可以包括具有期望尺寸特征的声学元件，并且允许方便以及可重复地组装到头戴式受话器(诸如，耳塞)以及其他声学设备中。因此，可以从声学设备实现更一致的声学性能。

本文公开的示例主要涉及耳塞；然而，应该认识到，可以根据以下所述原理制造其他类型的头戴式受话器或者其他声学设备。

图1是传统基于反馈的声学降噪(ANR)耳塞10的示例的横截面图示。ANR耳塞10包括耳塞体12，耳塞体12可以由塑料或者金属形成，并且包括标称的锥形部分14，其形状适于插入用户耳道的外部。体12的其余部分密封了第一声腔16并且基本上密封了第二声腔18。当佩戴时，第二声腔18延伸穿过锥形部分14中的开口20并且进入用户的耳道。壁22将耳塞体12的内部体积分离成两个声腔16和18。扬声器24被设置在壁22中(或者限定壁22的一部分)，并且声学降噪麦克风(ANR)26被提供在第二声腔18中。如所示的，两对线28和30延伸穿过耳塞体12：一对28将扬声器24耦合到电音信号源(未显示)，以及第二对30将ANR麦克风26耦合到ANR电路(未显示)。在其他实例中，可以使用不同数目的线。例如，数字麦克风可以具有使用三条或者更多条线的电连接。

壁22包括声学端口32，该声学端口32声学地连接第一声腔16和第二声腔18。为了制造耳塞10，必须小心将线28和30穿过耳塞体12并且穿过一个或两个声腔16和18，以避免损坏声学组件。例如，线16和18必须维持与扬声器24与ANR麦克风26的可靠的电连接，并且避免干扰声学端口32。因此，制造通常是劳动密集型并且耗费相当长时间。美国专利序列号9,247,335描述了在传统头戴式受话器内布线中的一些难点，并且提出了解决方案以解决这些困难中的一些问题；如果不是更大的，耳塞中的问题通常是类似的。耳塞设计还可以包括其他电子设备，例如，光源以及用于心脏速率监测的传感器，和/或用于健身追踪功能的加速度计。这些电子设备也可以存在于电路板上。

图2是根据本文所述原理的包括柔性电路板组件34(只显示了一部分)的耳塞的一部分的横截面图。在此示例中，圆柱形扬声器36用作图1中的壁22，将两个声腔16和18分离。电路板组件34具有沿着其长度一部分的渐变曲线形状，以符合圆柱体扬声器36与耳塞体12的内壁38的相邻部分之间的空间。嵌入在电路板组件34内的通道包括在每一端处的孔隙。孔隙中的一个被设置在第一声腔16之内，并且另一孔隙被设置在第二声腔18之内。通道和孔隙一起限定了声学通道，其中的声学通道声学地将两个声腔16和18相互耦合。

图3A是具有嵌入声学通道的柔性电路板40的示例的俯视图。该电路板40是未被填充的，即，没有安装电子或者声学组件。虚线矩形框指示电路板40的一部分42，其包括在声腔之间延伸的嵌入式声学通道。电路板40包括在至少一个表面上的导电迹线43(例如，铜迹线)，其被用于电耦合在安装盘或者焊盘44处安装到表面的组件。

图3B是图3A中柔性电路板的透视图。线46从线束48的末端延伸并且被耦合(例如，经由焊料)到焊盘44。安装到电路板40的组件包括：反馈麦克风50、电子组件52(例如，电容器)、前馈麦克风54以及声学驱动器56(例如，耳塞扬声器)。尽管以平面布置示出，但应该理解的是，具有其安装部件的柔性电路板40可以被扭曲成具有一个或多个弯曲部分的各种形状。例如并且另外一起参考图2，电路板40可以在一段附近弯曲，使得反馈麦克风被定位在第一声腔16之中，电子部件52和前馈麦克风被定位在第二声腔18之中，以及声学驱动器56被定位来分离两个声腔16和18(以与扬声器36类似的方式)，其中部分42位于耳塞体12的内壁38与声学驱动器56之间。

声学通道具有精确控制的尺度，以实现两个声腔16和18之间的预定声学调谐。有利地，电路板40的柔性特性使得耳塞的组装时间减少，相关联的成本降低，同时对于制造成相同设计的耳塞实现更一致的声学性能，因为当电路板被组装到耳塞时制造的通道保持其尺寸。

图4A、4B和4C分别是具有声学通道的电路板60的示例的俯视图、横截面侧视图以及横截面端视图。电路板60是由柔性或刚性的电介质衬底62形成的，电介质衬底62具有由厚度T分离的上表面64和下表面66。如所示，电介质衬底62是由具有所需电介质特性的材料形成的单片结构。例如，该材料可以是聚酰亚胺、聚酯、丙烯酸或者环氧树脂。在上表面64上形成导电迹线68。该迹线68在导电焊盘69处终止，导电焊盘69可以被用于电连接(例如，经由焊料)到电声元件或者其他装置。尽管仅显示了两个基本上线性的迹线68，但是应当理解，可以沿着上表面64提供额外的迹线，并且迹线可以具有更复杂的集合形状。在其他示例中，在下表面66上可以形成一个或多个迹线，或者形成在上表面64和下表面66两者上。在又一示例中，可以在上表面64以下并且在下表面66以上的电介质衬底内部(即，嵌入在其中)形成迹线。

在其他示例中，电介质衬底包括如以下更详细描述的两个或多个不同的层。这些层可以包括一层或多层电介质材料，一层或多层导电材料(例如，铜层)和/或用于将相邻层彼此牢固接合的一层或多层粘接。

电路板60包括嵌入在电介质衬底62中的声学通道。该声学通道包括设置在与上表面64距离为D的下方处的声学通道70。通道70沿着第一孔隙72A与第二孔隙72B之间的长度L进行延伸，其形成声学通道的其余部分。孔隙的每一个从上表面64向下延伸以与通道70的相应端部相接。图4D显示备选示例，其中孔隙72C中的一个替代了孔隙72B。在此备选示例中，孔隙72C张开电介质衬底的底部表面66。

具有宽度W和高度H的通道70与长度L以及两个孔隙72的尺寸一起，限定了声学通道的声学阻抗。在本文所述的各种示例中，可以选择声学通道的尺寸以实现耳塞内声腔的期望调谐。

图5A、5B和5C分别是具有声学通道的电路板80的俯视图、横截面侧视图和横截面端视图。电介质电路板80由具有两个层82和84的电介质衬底形成。通过首先沿着与底部表面66相对的下层84的表面形成凹槽或者开放通道来形成通道70。以示例的方式，激光刮削工艺可以用于移除下层64的厚度的一部分；然而，所得凹槽的深度和形貌可能取决于电介质材料的均匀性。形成凹槽之后，两个层82和84随后被接合到一起，例如，使用接合剂。因此由上层82的内表面限定通道70的顶侧，并且由凹槽的形状限定通道70的余下三个侧面。如果下层84是电介质材料，则上层82可以是电介质层、绝缘层或者金属层。

在备选示例中，不存在上层82。为了形成除了其端部以外都封闭的通道，具有沿着表面的开放通道的电介质材料的单个层或者“块”(即，凹槽)，可以被接合(或者以其他牢固方式)到单独结构的表面使得该单独结构的表面形成该通道的顶部。例如，耳塞体12可以提供通道的顶层。

图6A、6B、和6C分别是具有声学通道的电路板90的另一示例的俯视图、横截面侧视图和横截面端视图。电路板90由电介质衬底形成，该电介质衬底具有三层：上层92、中间层94以及下层96，这些层可以由类似的或者不同的材料制成。尽管未显示，粘接层可以被用于上层92与中间层94之间，以及中间层94与下层96之间。尽管只示出了上表面64，但是到电迹线可以被提供在下表面66上和/或中间层94的任一表面或者两个表面上。

有利地，在将全部层彼此固定以形成单个结构之前，可以通过使用激光刮削工艺以从中间层94移除材料来形成通道70。激光刮削可以被用于移除中间层94中的全部电介质材料，从而允许中间层的厚度精确地限定通道70的高度。下层96可以是金属层，并且可以在启动刮削工艺之前被接合到中间层94。这在两层94和96的边界处停止了刮削过程，从而没有材料从下层94被移除。在备选示例中，附加层可以存在于金属下层96下方。在另一备选示例中，中间层94可以是设置在上层92与下层96之间的接合片。接合片具有预切割部分(例如，矩形开口)，该预切割部分在限定了通道70的多层结构中形成空气隙。

如上文所述，由中间层94的厚度限定通道70的高度。例如，可以选取中间层的特定厚度以实现期望的通道高度。以非限定性数字示例的方式，柔性电路板的层厚度可以小于10微米至大于30微米。在一些实例中，可以在激光刮削过程中使用掩模来精确地限定从中间层94移除的材料的宽度，从而限制通道70的宽度。

通过中间层94的通道宽度和厚度来确定通道70的横截面区域。在此过程中形成的通道70的横截面形状通常是矩形，并且如果选择宽度并且适当地控制以匹配中间层94的厚度，则横截面区域的形状是正方形，正方形是用于减少声音损耗的优选矩形形状。优选地，横截面区域的长宽比小于10:1，以避免显著的损耗。以非限定性数字示例的方式，嵌入在电路板中的声学通道可以具有尺度为0.1mm²量级的横截面积，并且可以具有若干毫米或者更大的长度。

图7A、7B和7C分别是具有声学通道的电路板100的另一示例的俯视图、横截面侧视图和横截面端视图。电路板100由具有五层(102、104、106、108和110)的电介质衬底形成。可以通过添加它们各自的层厚度来处理(例如，激光刮削)三个中间层104、106和108以产出期望的通道高度。可以将通道70的高度控制到中间层104、106和108的最薄可用层的级别。

图7D显示了备选示例，其中两个中间层104和108中的每一个均提供与通道114相同的通道宽度贡献，而中间层106提供更大的通道宽度贡献。因此，通过在多个中间层中形成通道114，通道114的横截面形状并不限于矩形形状。可以理解，甚至使用更多的中间层允许更复杂的横截面形状(例如，通常为椭圆形或者圆形)；然而层的总数可以受到单独的层的厚度、可接受的柔性降低、总的横截面尺度以及制造时间和成本的限制。

在以上示例中，通道的横截面积沿着其长度上是恒定的；然而，可以形成具有沿着通道长度变化的横截面积的声学通道。随着长度的横截面积中的变化可以被用于控制在不同声学频率处的声学性能。横截面积中的变化可以实现，例如，通过对沿着通道长度的一个或多个中间层中的宽度进行改变和/或对沿着通道长度的通道高度进行改变。例如，如果在至少两个中间层中的开口的长度不同，则如图7B和7C中显示的通道70的高度将沿着通道长度变化。

通道结构可以与上述单个线性通道配置不同。例如，该通道可以是弯曲的。备选地，可以在电路板中形成两个或多个通道。多个通道可以被平行布置和/或可以具有不同的横截面尺度和/或长度。

已经描述了许多实现方式。然而，应该理解，前面的描述旨在说明而不是限制由权利要求的范围限定的发明构思的范围。其他示例在权利要求的范围内。

Claims (26)

1.一种具有声学通道的电路板，包括：

电介质衬底，所述电介质衬底包括上表面、下表面以及设置在所述上表面与所述下表面之间的通道，所述电介质衬底具有第一孔隙和第二孔隙，所述第一孔隙和所述第二孔隙中的每一个从所述上表面和所述下表面中之一延伸到所述衬底的厚度中，所述通道从在所述第一孔隙处的第一通道端延伸至所述第二孔隙处的第二通道端，所述第一孔隙和所述第二孔隙通向第一声腔和第二声腔，所述第一声腔和所述第二声腔被包括在耳塞体的内部体积中，所述通道以及所述第一孔隙和所述第二孔隙限定所述第一声腔与所述第二声腔之间的声学通道，所述声学通道将所述第一声腔与所述第二声腔相互声学地耦合。

2.根据权利要求1所述的电路板，其中所述电介质衬底包括上层、下层以及设置在所述上层与所述下层之间的中间层，并且其中所述通道被形成在所述中间层内。

3.根据权利要求2所述的电路板，进一步包括设置在所述上层与所述中间层之间的第一粘接层，以及设置在所述中间层与所述下层之间的第二粘接层。

4.根据权利要求1所述的电路板，其中所述电介质衬底包括与第二层相邻的第一层，并且其中所述通道被设置沿着与所述第二层的表面相邻的所述第一层的表面。

5.根据权利要求4所述的电路板，其中所述第一层和所述第二层中的一个是金属层、接合片、绝缘层以及加强层中的一种。

6.根据权利要求4所述的电路板，进一步包括设置在所述第一层与所述第二层之间的粘接层。

7.根据权利要求1所述的电路板，进一步包括在所述上表面和所述下表面中的至少一个上形成的至少一个电迹线。

8.根据权利要求2所述的电路板，其中所述中间层包括中间层表面对，并且进一步包括在所述中间层表面中的至少一个上形成的电迹线。

9.根据权利要求1所述的电路板，其中所述电介质衬底是柔性电介质衬底。

10.根据权利要求1所述的电路板，其中所述电介质衬底是刚性电介质衬底。

11.根据权利要求1所述的电路板，其中所述通道具有正方形横截面。

12.根据权利要求2所述的电路板，其中所述上层、所述下层以及所述中间层中的至少一个是金属层、接合片、加强层以及粘接层中的至少一种。

13.根据权利要求2所述的电路板，其中所述电介质衬底包括多个中间层，并且其中所述通道被形成在所述中间层的至少两个之中。

14.根据权利要求13所述的电路板，其中所述通道具有椭圆形横截面。

15.一种头戴式受话器，包括：

耳塞体，所述耳塞体具有包括第一声腔和第二声腔的内部体积；

声学元件，所述声学元件被设置在所述第一声腔与所述第二声腔之间的所述内部体积中；

电介质衬底，所述电介质衬底被设置在所述内部体积中，并且具有从所述第一声腔的第一端延伸到所述第二声腔的第二端的长度，所述电介质衬底包括上表面、下表面以及设置在所述上表面与所述下表面之间的通道，所述电介质衬底具有第一孔隙和第二孔隙，所述第一孔隙和所述第二孔隙中的每一个从所述上表面和所述下表面中的一个延伸到所述衬底的厚度中，所述通道从在所述第一孔隙处的第一通道端延伸至所述第二孔隙处的第二通道端，所述第一孔隙和所述第二孔隙分别地被设置在所述第一声腔和所述第二声腔中并且通向所述第一声腔和所述第二声腔，所述通道以及所述第一孔隙和所述第二孔隙限定所述第一声腔与所述第二声腔之间的声学通道，所述声学通道将所述第一声腔与所述第二声腔相互声学地耦合。

16.根据权利要求15所述的头戴式受话器，其中所述电介质衬底是柔性电介质衬底。

17.根据权利要求15所述的头戴式受话器，其中所述电介质衬底是刚性电介质衬底。

18.根据权利要求15所述的头戴式受话器，其中所述电介质衬底包括上层、下层以及设置在所述上层与所述下层之间的中间层，并且其中所述通道被形成在所述中间层中。

19.根据权利要求18所述的头戴式受话器，进一步包括设置在所述上层与所述中间层之间的第一粘接层，以及设置在所述中间层与所述下层之间的第二粘接层。

20.根据权利要求15所述的头戴式受话器，其中所述电介质衬底包括与第二层相邻的第一层，并且其中所述通道被设置沿着与所述第二层的表面相邻的所述第一层的表面。

21.根据权利要求20所述的头戴式受话器，其中所述第一层和所述第二层中的一个是金属层、接合片、绝缘层以及加强层中的一种。

22.根据权利要求20所述的头戴式受话器，进一步包括设置在所述第一层与所述第二层之间的粘接层。

23.根据权利要求15所述的头戴式受话器，其中所述通道具有正方形横截面。

24.根据权利要求18所述的头戴式受话器，其中所述上层、所述下层以及所述中间层中的至少一个是金属层、接合片、加强层以及粘接层中的至少一种。

25.根据权利要求18所述的头戴式受话器，其中所述电介质衬底包括多个中间层，并且其中所述通道被形成在所述中间层的至少两个之中。

26.根据权利要求25所述的头戴式受话器，其中所述通道具有椭圆形横截面。

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