CN111937409B - 具有轴向和径向磁化电路的分布式模式扬声器电磁致动器 - Google Patents

具有轴向和径向磁化电路的分布式模式扬声器电磁致动器 Download PDF

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Abstract

一种电磁致动器，包括：内磁体，该内磁体相对于轴线被布置；外磁体，该外磁体被布置在距该轴线径向距离处，该外磁体的内径向壁面对内磁体的外径向壁，该内径向壁和该外径向壁由气隙分开；音圈，该音圈被布置在将该内磁体和该外磁体分开的气隙中；以及致动器耦合板，该致动器耦合板被附接到音圈。内磁体被轴向磁化，而外磁体被径向磁化。在设备的操作期间，音圈的电激活引起致动器耦合板的轴向运动。

Description

具有轴向和径向磁化电路的分布式模式扬声器电磁致动器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年4月6日提交的标题为“DISTRIBUTED MODE LOUDSPEAKERELECTROMAGNETIC ACTUATOR WITH AXIALLY&RADIALLY MAGNETIZED CIRCUIT(具有轴向和径向磁化电路的分布式模式扬声器电磁致动器)”的美国申请序列号62/654,173的优先权，其全部内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及音频换能器，尤其涉及一种轻量、微型、高功率音频换能器的设计。
背景技术
很多传统的扬声器通过在膜片中诱发类似活塞的运动来产生声音。相反，诸如分布式模式扬声器(DML)的面板音频扬声器通过经由电声致动器在面板中诱发均匀分布的振动模式来进行操作。通常，致动器是电磁致动器或者压电致动器。
常规的面板音频扬声器磁体系统可能具有性能限制，这是由于软磁性材料随频率增加而增加电感和电阻抗所致。电感的这种增加可能具有缺点，包括在高频下声输出的减小。
音圈导体的温度和电阻也随着电流的增加而趋于增加，这会引起功率压缩并限制致动器产生的最大力。因此，可能有必要使致动器产生的力的效率最大化。
当致动器的封装尺寸受到限制时，通常将薄的磁盘与铁质杯和极片结合使用，诸如在图1中的截面中所示的致动器中那样。此处，致动器100以截面示出，并且包括成形为薄盘的永磁体120和音圈140。音圈140包括音圈绕组145，该音圈绕组145缠绕在连接到致动器耦合板150的管上，在完全组装后，将该音圈140附接到面板音频扬声器的面板上。磁体120被容纳在软磁杯110(例如，铁质杯)中，并且被夹在磁杯110的基座111与软磁顶板130或极片之间。磁杯110经由弹簧元件附接到框架(未示出)，该框架可以附接到致动器耦合板150，将磁杯、磁体120和顶板130相对于音圈140悬挂。气隙160存在于磁杯110的侧壁112与磁体120和顶板130之间。音圈140位于气隙中。
磁体120被轴向磁化。换句话说，永磁体的磁极沿着轴向方向对齐。当音圈通电时，该音圈会产生一个与永磁体的磁场相互作用的磁场，从而使磁杯、磁体和顶板相对于音圈轴向位移。
由于与在由极片所产生的气隙的内表面处所经受的磁通密度相比，在气隙的外表面处所经受的磁通密度降低，因此致动器100的拓扑结构可能在其力产生时受限。这减小了气隙中存在的总通量密度，其对应于力输出的减小。
发明内容
总的来说，在一个方面，本公开的特征在于一种设备，该设备包括内磁体，该内磁体相对于轴线布置；外磁体，该外磁体被布置在距该轴线一定径向距离处，该外磁体的内径向壁面对内磁体的外径向壁，该内径向壁和该外径向壁由气隙分开；音圈，该音圈被布置在将该内磁体和该外磁体分开的气隙中；以及致动器耦合板，该致动器耦合板被附接到音圈。内磁体被轴向磁化，而外磁体被径向磁化。在设备的操作期间，音圈的电激活引起致动器耦合板的轴向运动。
设备的实施方式可以包括下述特征中的一个或者多个。例如，内磁体和外磁体可以相对于轴向旋转对称。
该设备可以包括软磁材料，该软磁材料附接到内磁体和外磁体。例如，该设备可以包括内磁体和外磁体的在轴向方向上的相对侧上的包括软磁材料的板。在一些实施例中，该设备包括由软磁材料构成的轭。
设备可以具有在轴向方向上10mm或更小(例如，8mm或更小、5mm或更小、4mm或更小、3mm或更小)的最大尺寸。
在又一方面，本发明的特征在于一种面板音频扬声器，该面板音频扬声器包括上述设备和机械地附接到致动器耦合板的面板。该面板可以包括显示面板(例如，OLED或LCD显示面板)。面板可以包括触摸面板。该设备可以被配置成生成音频和/或触觉响应。
在又一方面，本公开的特征在于包括上述面板音频扬声器的移动设备。该移动设备可以是手机或平板电脑。在一些实施例中，该移动设备是可穿戴设备。
除其它优点以外，本公开的特征在于面板音频扬声器，该面板音频扬声器适合在有限的物理空间内，并且在规定的音频带宽上提供足够的力，并在振动膜片内激发振动模式，并且具有足够小的封装尺寸。例如，面板音频扬声器系统包括致动器，该致动器对于微型封装尺寸内的电输入具有足够的力输出效率，以用于对于这种致动器的位置具有有限空间的应用。所述致动器可以被设计成在被优化以提供触觉反馈和恒定的力带宽的带宽下指定致动器/膜片的基本共振频率(fundamental resonance frequency)。
此技术应用于被设计成提供声和/或触觉反馈的面板音频系统。面板可以是例如基于OLED技术的显示系统。面板可能是智能手机或可穿戴设备的一部分。
根据说明书、附图和权利要求书，其它优点将是显而易见的。
附图说明
图1是适用于分布式模式扬声器(DML)的电路致动器的实施例的截面图。
图2是示出特性致动器力作为频率的函数的曲线图。
图3是DML电路致动器的另一实施例的截面图。
图4是DML电路致动器的又一实施例的截面透视图。
图5A和图5B示出了包括具有致动器的面板音频扬声器的移动设备的实施例。
图6是用于向致动器提供驱动信号的电子控制模块的实施例的示意图。
具体实施方式
通常，本公开的特征在于电磁换能器，该电磁换能器在环形径向磁化壁内结合轴向磁化磁体。认为这样的换能器能够比常规换能器在每物理大小和质量上产生更多的功率。认为通过将例如薄的、平坦的轴向磁化钕磁体和薄壁径向磁化磁体进行组合，可以使这种增加的功率成为可能。
这样的致动器可以具有如图2中所示的特性力对比频率的行为。此处，纵轴示出力因数，而横轴示出从100Hz至20kHz的频率。两个轴均以对数刻度示出。致动器力在共振频率F0处达到峰值，在这种情况下约为200Hz。在较高频率下，例如在所示示例中的500Hz至5kHz，力对比频率的响应相对恒定。在较高的频率下(例如，10kHz至20kHz)，随着音圈电感越来越多地影响响应，力因数单调地减小。
图3以截面示出这种致动器的示例。具体地，图3描绘圆形的、轴对称的面板音频扬声器致动器300，其使用轴向磁化的盘形磁体320、径向磁化的圆柱形磁体322和具有绕组345的音圈340，并且该绕组345位于软磁顶板330和软磁杯310之间的磁气隙360中。如上所述，轴向磁化意味着磁体320的磁极在轴向方向上对准，如图3中所示。径向磁化意味着磁体322的磁极在垂直于轴向方向的径向方向上对准。在径向方向上，气隙360位于磁体320和磁体322之间。音圈340将致动器300连接到耦合板350，以对膜片(板，图3中未示出)产生恒定的力，以便激励所述膜片的多种振动模式以产生声输出。
通常，磁体可以由诸如稀土磁体材料的可以永久磁化的材料形成。示例性材料包括钕铁硼、钐钴、钡铁氧体和锶铁氧体。
软磁板和杯可以由在存在外部磁场时容易磁化并在移除外部磁场时消磁的一种或多种材料形成。通常，这种材料具有高磁导率。示例包括高碳钢和钒铁钴磁性合金(vanadium permendur)。因此，软磁板和轭用于引导来自轴向磁化磁体的磁通线穿过气隙。
认为同时使用轴向磁化和径向磁化磁体两者提供最大化和平衡在软磁顶板的内表面和外表面两者处经受的磁通密度的手段，并且轭使存在于气隙中的总磁通密度最大化并且因此最大化力输出。
通常，径向磁化磁体322可以由一个或多个段形成。例如，该磁体可以由磁性材料的弧形段实现，这些弧形段以这样的方式构造以产生连续的圆柱体。
认为，包围音圈外部并由软磁轭/杯包含的互补径向磁化磁体的使用，将磁通量包含在磁电机电路的结构内，其中该磁电机电路的结构减少(例如，最小化)来自磁回路的磁通量的泄漏，从而减小(例如，最小化)电磁场与可能非常接近电磁致动器的其它敏感组件的相互作用。另外，径向磁化磁体的延伸的竖直长度可以在音圈的机械偏移能力的整个长度上提供一致的场强。
图3中所示的致动器可以是紧凑的。例如，致动器在轴向方向上的厚度可以是大约几毫米，例如，5mm或更小、4mm或更小、3mm或更小、2mm或更小。横向尺寸也可以相对较小。例如，外部轴向磁化磁体可以具有20mm或更小(例如，15mm或更小、12mm或更小、10mm或更小、8mm或更少、7mm或更小、6mm或更小、5mm或更小)的横向直径(即，与对称轴正交的直径)。
除了该磁回路设计的圆形、轴对称的实施例之外，实现在如图4中所示的细长(例如，椭圆形)封装内的磁回路拓扑也是可行的。此处，致动器400包括连接到致动器耦合板450的音圈440。音圈440支撑绕组445，该绕组445布置在内磁体420和外磁体422之间的气隙460中。内磁体420被夹在软磁顶板430和软磁杯(轭)410之间。内磁体420被轴向磁化，而外磁体422被径向磁化。
内磁体420被成形以与软磁顶板430同心，且略小于该软磁顶板430。换句话说，顶板430在x和y方向上比磁体420略微进一步延伸。顶板430也被成形以与音圈440同心，且略小与该音圈440。径向磁化的外磁体422可以由沿着音圈的外部线性侧坐落的线性磁块构成。
通常，所描述的致动器除了声输出之外还可以产生触觉输出。例如，致动器可以提供低于200Hz的输出。
本文公开的致动器技术可以用在面板音频系统中，例如，被设计成提供声和/或触觉反馈。面板可以是例如基于OLED或LCD技术的显示系统。面板可以是智能手机、平板电脑或可穿戴设备(例如，智能手表或头戴式设备，诸如智能眼镜)的一部分。例如，参考图5A，移动设备500包括设备底座502和触摸面板显示器504，该触摸面板显示器504包括集成了面板音频扬声器的平坦平板显示器(例如，OLED或LCD显示面板)。移动设备(例如，智能电话)500以各种方式与用户交互，包括通过显示图像，经由触摸面板显示器504接收触摸输入以及产生音频和触觉输出。通常，作为面板音频扬声器的一部分，振动面板产生人类可听见的声波，例如，在20Hz至20kHz的范围内。除了产生声音输出之外，移动设备500还经由显示面板504产生触觉输出。例如，触觉输出可以对应于180Hz至300Hz范围内的振动。
通常，移动设备的深度约为10毫米或更小，宽度为60毫米至80毫米(例如，68毫米至72毫米)，并且高度为100毫米至160毫米(例如，138毫米至144毫米)。因此，诸如上述的那些用于驱动面板504的紧凑且有效的致动器是期望的。
参考图5B，其示出了移动设备500的截面，设备底座502和显示面板504一起形成用于容纳移动设备500的组件(诸如致动器510、电池530和电子控制模块520)的外壳。
致动器510可以是上述致动器中的一个致动器(例如，致动器300或400)，并且该致动器510被定大小为装配在由被容纳在移动设备500中的其它组件(包括电子控制模块520和电池530)所约束的体积内。电子控制模块220将控制信号提供给致动器510，使致动器510产生音频和/或触觉输出。
通常，电子控制模块由一个或多个电子组件构成，该一个或多个电子组件从移动电话的一个或多个传感器和/或信号接收器接收输入、处理该输入，并生成和递送使致动器510提供合适的触觉响应的信号波形。参考图6，诸如移动电话500的移动设备的示例性电子控制模块600包括处理器610、存储器620、显示器驱动器630、信号生成器640、输入/输出(I/O)模块650和网络/通信模块660。这些组件彼此之间(例如，经由信号总线602)并且与致动器510电连通。
处理器610可以被实现为能够处理、接收或传输数据或指令的任何电子设备。例如，处理器610可以是微处理器、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)或这些设备的组合。
存储器620具有存储在其上的各种指令、计算机程序或其它数据。指令或计算机程序可以被配置成执行关于该移动设备描述的操作或功能中的一个或多个。例如，指令可以被配置成经由显示器驱动器630、信号生成器640、I/O模块650的一个或多个组件、经由网络/通信模块660可访问的一个或多个通信信道、一个或多个传感器(例如，生物传感器、温度传感器、加速度计、光学传感器、气压传感器、湿度传感器等)和/或致动器510来控制或协调设备的显示器的操作。
信号生成器640被配置成产生具有适合于致动器510的变化的幅度、频率和/或脉冲轮廓并且经由致动器产生声音和/或触觉响应的交流电(AC)波形。尽管被描绘为单独的组件，但是在一些实施例中，信号生成器640可以是处理器610的一部分。在一些实施例中，信号生成器640可以包括放大器，例如，作为其整体或单独的组件。
存储器620能够存储能够由移动设备使用的电子数据。例如，存储器620能够存储电数据或内容，诸如，例如音频和视频文件、文档和应用、设备设定和用户偏好、用于各种模块的定时和控制信号或数据、数据结构或数据库等等。存储器620还可以存储指令，这些指令用于重新创建可以由信号生成器640使用以生成用于致动器510的信号的各种类型的波形。存储器620可以是任何类型的存储器，诸如，例如，随机存取存储器、只读存储器、闪存、可移除存储器或其它类型的存储元件，或这些设备的组合。
如以上简要讨论地，电子控制模块600可以包括作为I/O模块650在图6中表示的各种输入和输出组件。虽然在图6中将I/O模块650的组件表示为单个项，但是移动设备可以包括多个不同的输入组件，包括按钮、麦克风、开关和用于接受用户输入的拨盘。在一些实施例中，I/O模块650的组件可以包括一个或多个触摸传感器和/或力传感器。例如，移动设备的显示器可以包括使得用户能够向移动设备提供输入的一个或多个触摸传感器和/或一个或多个力传感器。
I/O模块650中的每一个组件都可以包括用于生成信号或数据的专用电路。在一些情况下，这些组件可以为应用特定输入产生或提供反馈，该反馈与在显示器上呈现的提示或用户界面对象相对应。
如以上指出的，网络/通信模块660包括一个或多个通信信道。这些通信信道可以包括一个或多个无线接口，该一个或多个无线接口提供在处理器610和外部设备或其它电子设备之间的通信。通常，通信信道可以被配置成传输和接收可以由在处理器810上执行的指令解释的数据和/或信号。在一些情况下，外部设备是被配置成与其它设备交换数据的外部通信网络的一部分。通常，无线接口可以包括但不限于射频、光、声和/或磁信号，并且可以被配置成通过无线接口或协议来操作。示例无线接口包括射频蜂窝接口、光纤接口、声音接口、蓝牙接口、近场通信接口、红外接口、USB接口、Wi-Fi接口、TCP/IP接口、网络通信接口或任何传统通信接口。
在一些实施方式中，网络/通信模块660的一个或多个通信信道可以包括在移动设备和诸如另一个移动电话、平板电脑、计算机等的另一个设备之间的无线通信信道。在一些情况下，可以将输出、音频输出、触觉输出或视觉显示元素直接传输到其它设备进行输出。例如，可听警报或视觉警告可以从电子设备600传输到移动电话以在该设备上输出，反之亦然。类似地，网络/通信模块660可以被配置成接收在另一个设备上提供的输入以控制移动设备。例如，可听警报、视觉通知或触觉警报(或其指令)可以从外部设备传输到移动设备以进行呈现。
很多实施例被公开。其它实施例在所附权利要求中给出。

Claims (12)

1.一种面板音频扬声器，包括：
面板，所述面板包括显示器；以及
致动器，所述致动器包括：
内磁体，所述内磁体相对于轴线被布置；
外磁体，所述外磁体被布置在距所述轴线的径向距离处，所述外磁体的内径向壁面对所述内磁体的外径向壁，所述内径向壁和所述外径向壁由气隙分开；
杯，所述杯包括基座和限定杯腔的侧，所述基座和侧包括软磁材料，所述内磁体和所述外磁体被布置在所述杯腔中；
音圈，所述音圈被布置在将所述内磁体和所述外磁体分开的所述气隙中；
致动器耦合板，所述致动器耦合板被附接到所述音圈并且被附接到所述面板；以及
顶板，所述顶板在所述内磁体的与所述基座相对的一侧上包括所述软磁材料；
其中，所述内磁体被轴向磁化，而所述外磁体被径向磁化，并且在所述面板音频扬声器的操作期间，所述音圈的电激活引起所述致动器耦合板的轴向运动。
2.根据权利要求1所述的面板音频扬声器，其中，所述内磁体和所述外磁体相对于轴向旋转是对称的。
3.根据权利要求1所述的面板音频扬声器，其中，所述外磁体由磁性材料的多个段形成。
4.根据权利要求1所述的面板音频扬声器，其中，所述顶板具有与所述内磁体相同的径向尺寸。
5.根据权利要求1所述的面板音频扬声器，其中，所述顶板具有大于所述内磁体的径向尺寸。
6.根据权利要求1所述的面板音频扬声器，其中，所述面板音频扬声器在所述轴向方向上具有10mm或更小的最大尺寸。
7.根据权利要求1所述的面板音频扬声器，其中，所述面板包括触摸面板。
8.根据权利要求1所述的面板音频扬声器，其中，所述面板音频扬声器被配置成生成音频和/或触觉响应。
9.一种移动设备，包括根据权利要求1所述的面板音频扬声器。
10.根据权利要求9所述的移动设备，其中，所述移动设备是移动电话或平板计算机。
11.根据权利要求9所述的移动设备，其中，所述移动设备是可穿戴设备。
12.一种移动设备或可穿戴设备，包括：
壳体；
显示面板，所述显示面板被安装在所述壳体中；
致动器耦合板，所述致动器耦合板被附接到所述显示面板；
音圈，所述音圈被附接到所述致动器耦合板，所述音圈限定轴线；
内磁体，所述内磁体相对于所述轴线被布置；
外磁体，所述外磁体被布置在距所述轴线的径向距离处，所述外磁体的内径向壁面对所述内磁体的外径向壁，所述内径向壁和所述外径向壁由气隙分开；
杯，所述杯包括基座和限定杯腔的侧，所述基座和侧包括软磁材料，所述内磁体和所述外磁体被布置在所述杯腔中；
顶板，所述顶板在所述内磁体的与所述基座相对的一侧上包括所述软磁材料；
其中，所述音圈被布置在将所述内磁体和所述外磁体分开的所述气隙中，所述内磁体被轴向磁化，而所述外磁体被径向磁化；以及
致动器控制模块，所述致动器控制模块被电耦合到所述音圈并且被编程为对所述音圈通电以使所述内磁体相对于所述音圈进行轴向运动，使得所述显示面板以以下频率和振幅振动，所述频率和所述振幅足以产生来自所述显示面板的音频响应。
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