CN112088537B - 电声换能器及其相关的设备、组件和方法 - Google Patents

Abstract

一种具有闭合形状的实心活塞，该实心活塞通过附接到该活塞的顶部表面和支撑件的顶部表面的柔顺材料层附接到围绕该活塞并在形状上对应于该活塞形状的实心支撑件。该柔顺材料层包括开口中心区域，该开口中心区域通过该开口区域暴露该活塞的顶部表面。一种用于电声换能器的组件，该组件包括活塞，该活塞是具有平坦顶部表面并用作隔膜的椭圆形硅板，椭圆形硅支撑环，该椭圆形硅支撑环围绕该活塞并通过间隙与该活塞分离；和附着到该支撑环的顶部表面并附着到该活塞的顶部表面的柔顺材料层，该柔顺材料层将该活塞悬挂在该间隙中。将椭圆形或圆柱形马达联接到活塞。

Description

电声换能器及其相关的设备、组件和方法

背景技术

本公开涉及改进微型扬声器的效率。

以引用方式并入本文的美国专利9,913,042描述了微型电声换能器，即扬声器。在图1中示出的在专利‘043中描述的扬声器类似于常规的电动扬声器，其中移动音圈10附接到线轴12，该线轴移动悬挂在外壳16的声辐射隔膜14，但是整个组件具有大约4mm的直径。隔膜14是平板而不是在较大的扬声器中使用的通常的锥形，并且板和线轴组件可以被称为活塞。音圈和线轴与磁性组件18的组合被称为换能器的马达。

美国专利申请15/222,539(也以引用方式并入本文)描述了一种使用微机电系统(MEMS)工艺来制造用于‘043专利的换能器的活塞顶部和悬架的方法。具体地讲，专利申请‘539描述了用液体硅橡胶(LSR)22涂覆图2所示的硅晶片20，并且将该晶片蚀刻掉大部分以留下薄盘24，该薄盘通过LSR的圆形部分28悬挂在绕环(surrounding ring)26上。盘24附接到线轴(图1中的12)，并且用作活塞顶部，而绕26环附接到换能器外壳(图1中的16)。

发明内容

一般来讲，在一个方面，一种具有闭合形状的实心活塞，该实心活塞通过附接到该活塞的顶部表面和支撑件的顶部表面的柔顺材料层附接到围绕该活塞并在形状上对应于该活塞形状的实心支撑件。该柔顺材料层包括开口中心区域，该开口中心区域通过该开口区域暴露该活塞的顶部表面。

具体实施可以任何组合包括以下各项中的一者或多者。活塞的暴露部分可包括活塞的顶部表面的表面积的至少50％。活塞可为圆盘，并且支撑件可为圆环。活塞可为椭圆形板，并且支撑件可为椭圆形环。活塞可为在一个维度上比在另一个维度上更长的形状。活塞还可包括从活塞的底表面远离柔顺材料层延伸的支撑结构。支撑结构可不形成为闭合形状。活塞和支撑件可含硅。柔顺层可含液体硅橡胶(LSR)。

一般来讲，在一个方面，将柔顺材料层附着到实心基底上。移除基底的一部分以留下活塞和支撑件，该活塞具有闭合形状，该支撑件围绕该活塞、与该活塞脱离并且在形状上对应于该活塞的形状，该活塞和该支撑件通过该柔顺材料层彼此附接。移除该柔顺材料层的覆盖该活塞的中心区域的部分，通过移除该柔顺材料所形成的该开口暴露该活塞的该顶部表面的一部分。

具体实施可以任何组合包括以下各项中的一者或多者。活塞的暴露部分可包括活塞的顶部表面的表面积的至少50％。移除该硅基底的该部分使得该活塞为圆盘并且使得该支撑件为圆环。移除该硅基底的该部分使得该活塞为椭圆形板并且使得该支撑件为椭圆形环。移除该硅基底的该部分使得该活塞的形状在一个方向上比在另一个方向上更长。移除该硅基底的该部分可使得该活塞还包括从该活塞的底部表面远离柔顺材料层延伸的支撑结构。该实心基底可含硅。柔顺层可含液体硅橡胶(LSR)。

一般来讲，在一个方面，一种用于电声换能器的组件，该组件包括：活塞，该活塞是具有平坦顶部表面并用作隔膜的椭圆形硅板；椭圆形硅支撑环，该椭圆形硅支撑环围绕该活塞并通过间隙与该活塞分离；和附着到该支撑环的顶部表面并附着到该活塞的该顶部表面的柔顺材料层，该柔顺材料层将该活塞悬挂在该间隙中。

具体实施可以任何组合包括以下各项中的一者或多者。椭圆形线轴可附着到活塞的周边，沿远离柔顺材料层的方向上从活塞延伸，椭圆形音圈缠绕在该线轴周围。活塞还可包括在活塞的周边处从活塞的底部表面远离柔顺材料层延伸的支撑结构。圆形线轴可附着到活塞的与顶部表面相反的底部表面，沿远离柔顺材料层的方向从活塞延伸，其中圆形音圈缠绕在该线轴周围。活塞还可包括支撑结构，该支撑结构在对应于线轴的形状的圆形路径上从该活塞的底部表面远离柔顺材料层延伸。该柔顺材料层可不在活塞的整个顶部表面上方延伸。

一般来讲，在一个方面，电声换能器包括活塞，该活塞包括椭圆形硅板，该椭圆形硅板具有平坦顶部表面并用作隔膜，椭圆形硅支撑环，该椭圆形硅支撑环围绕活塞并通过间隙与活塞分离并且联接到外壳，附着到支撑环的顶部表面并附着到活塞的顶部表面的柔顺材料层，柔顺材料层将活塞悬挂在间隙中，椭圆形线轴，该椭圆形线轴附着到活塞的周边，并且沿远离柔顺材料层的方向从活塞延伸，缠绕在线轴周围的椭圆形音圈，和椭圆形磁性组件，该椭圆形磁性组件定位在线轴内部并且联接到外壳。柔顺材料层可不在活塞的整个顶部表面上方延伸。

一般来讲，在一个方面，电声换能器包括活塞，该活塞包括椭圆形硅板，该椭圆形硅板具有平坦顶部表面并用作隔膜，椭圆形硅支撑环，该椭圆形硅支撑环围绕活塞并通过间隙与活塞分离并且联接到外壳，附着到支撑环的顶部表面并附着到活塞的顶部表面的柔顺材料层，该柔顺材料层将活塞悬挂在间隙中，圆柱形线轴，该圆柱形线轴附着到活塞的周边并且沿远离柔顺材料层的方向从活塞延伸，缠绕在线轴周围的圆柱形音圈，和圆柱形磁性组件，该圆柱形磁性组件定位在线轴内部并且联接到外壳。柔顺材料层可不在活塞的整个顶部表面上方延伸。

优点包括改善扬声器的效率，同时保持适配于人耳道内的能力。

可以任何技术上可能的方式组合上文所提及的所有示例和特征。其他特征和优点在具体实施方式和权利要求书中将是显而易见的。

附图说明

图1示出了微型扬声器的横截面。

图2示出了被蚀刻以产生图1的扬声器的活塞顶部和悬架的硅晶片的顶部的透视图。

图3示出了人群耳道测量的曲线图。

图4、图5、图6和图7示出了微型扬声器的子组件。

具体实施方式

本专利申请描述了对9,913,043专利和15/222,539专利申请中描述的扬声器的若干修改，以提高扬声器的效率(即，对于给定量的电能输入能够输出的声能的量)。一般来讲，扬声器的效率可通过增加其声辐射表面积和总电机容积以及减小移动部件(即，活塞、线轴和线圈，以及悬架层的一部分或全部)的质量来改善。当处理上述微型扬声器时，可实现此类修改的方式不一定与可在常规扬声器中实用的方式相同。

在一些示例中，微型扬声器用作入耳式耳机的驱动器。具体地讲，4mm的直径使得扬声器足够小以适配于人的耳道内部，这不同于耳机应用中通常使用的10mm或更大的电动式扬声器(其他耳道内应用使用平衡电枢式换能器，这是一种完全不同的电声换能器设计)。典型的人耳道的横截面不是圆形的，而通常为略微不对称的卵形或菜豆形。图3示出了经测量的整个大的总体样品的耳道入口附近的横截面形状。标记为“a”和“b”的两个维度指示在几乎所有经测量的耳中都记为4.5mm×11mm的椭圆形状。用于使活塞顶部、悬架和支撑环成形的MEMS制造工艺的优点在于，如被制成圆形一样，这些部件也可被同样容易地制成任何其他形状，但一些形状将比其他形状更适合使活塞运动平滑。在图4的示例中，活塞102的形状为椭圆形。4mm宽和7mm长的椭圆形状将具有的辐射面积Sd为4mm圆形活塞的辐射面积的1.75倍。这比将圆形直径增加到5mm的面积更大，但仍适配于大多数成人的耳道，并且在被扬声器马达推动和拉动时通常将以稳定的方式表现。辐射表面积的此类增加可在相同的输入功率下将扬声器的输出改善6dB。除了将活塞制成椭圆形之外，图4中的线轴104和音圈106也是椭圆形的，从而允许它们围绕活塞的周边附接。磁性结构(未示出)也可容易地被制成椭圆形以匹配该线轴和该音圈。将马达制成椭圆形以填充活塞后面的空间增加了马达容积，并因此其效率β也和活塞表面积一样增加1.75倍。相比使用圆形马达并将其附接到具有圆形线轴112和音圈114的椭圆形隔膜的底面(如图5所示)，将马达制成椭圆也可保持围绕活塞周边的力均匀，但可能更难制造。在这两种情况下，未示出用于联接到驱动器外壳的外支撑环。举例来说，其他形状(诸如具有倒角拐角的矩形)也可以是有效的。需注意，当我们说“椭圆形”时，我们不一定意指数学上的严格椭圆(true ellipse)，而是通常指卵形或长圆形。

也可减小由MEMS制造的活塞和悬架的有效移动质量。如在专利申请‘539中所述，形成活塞顶部的硅板的背面可省略支撑结构。可完全移除外加强肋，如图4和图5所示，或者可在需要加强的地方保留段，同时在其它区域中将其移除以减小质量。图6中示出具有圆形马达和椭圆形活塞的示例性设计。在图6中，主刚性肋120围绕线轴将附接的圆形区域，而不是围绕在活塞的周边。沿着活塞的长轴从圆形肋120到椭圆形活塞102的端部设置另外的刚性肋122、124。在一些示例中，可以将加强段定位在线轴将附接的圆形区域周围，而不是完整的环。在一些示例中，附接点以凸节或短桩的形式设置，其提供附接区但并不会有助于活塞的刚度，并且不会显著增加移动质量。可类似地对线轴进行修改，移除附接到活塞的附接点之间的材料以减小移动质量。

如图7所示，可通过从活塞顶部的中心区移除LSR层来进一步减小有效移动质量。在蚀刻硅晶片以形成活塞顶部24并将其从基底释放之后，并且在线轴和外壳被组装到板和支撑环上之前或之后，移除中心区中的LSR22，从而形成开口区域200。对于4mm直径的驱动器和70μm厚的LSR层，如果支撑肋也被移除，则从2.9mm活塞的顶部移除LSR的内部的2.5mm移除了0.37mg，这是活塞顶部/悬架组件的总质量的30％，并且是驱动器的总移动质量的7％。围绕活塞的周边保留足够的LSR以保持附着力。对于外部尺寸为4mm×7mm的椭圆形活塞和悬架，去除对应量的LSR后的余量为活塞顶部/悬架组件质量的27％。从活塞的中心移除LSR的质量还将活塞顶部的谐振模式的频率从换能器的工作频带移出。可使用激光烧蚀、水切割、化学蚀刻或其他技术来移除LSR层的中心区。

已描述了多个具体实施。然而，应当理解在不脱离本文所述发明构思的范围的情况下可进行附加修改，并且因此，其他实施方案在以下权利要求书的范围内。

Claims (23)

1.一种用于电声换能器的设备，所述电声换能器被布置为适配在人耳道内，所述设备包括：

实心活塞，所述实心活塞具有闭合形状；

实心支撑件，所述实心支撑件围绕所述活塞并在形状上对应于所述活塞的形状；

柔顺材料层，所述柔顺材料层附着到所述活塞的顶部表面和所述支撑件的顶部表面，所述柔顺材料层包括开口中心区域，所述开口中心区域通过开口区域来暴露所述活塞的所述顶部表面；

其中所述活塞包括椭圆形板，并且所述支撑件包括椭圆形环。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述活塞的所暴露的部分包括所述活塞的所述顶部表面的表面积的至少50％。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述活塞具有在一个维度上比在另一个维度上更长的形状。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述活塞还包括从所述活塞的底部表面远离所述柔顺材料层延伸的支撑结构。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述支撑结构不形成闭合形状。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述活塞和所述支撑件包含硅。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述柔顺材料层包含液体硅橡胶(LSR)。

8.一种用于制造电声换能器的方法，所述电声换能器被布置为适配在人耳道内，所述方法包括：

将柔顺材料层附着到实心基底上；

移除所述基底的一部分以留下活塞和支撑件，所述活塞包括闭合形状，所述支撑件围绕所述活塞、与所述活塞脱离并且在形状上对应于所述活塞的形状，所述活塞和所述支撑件通过所述柔顺材料层彼此附接，其中移除所述基底的所述部分使得所述活塞为椭圆形板并且使得所述支撑件为椭圆形环；

移除所述柔顺材料层的覆盖所述活塞的中心区域的部分，通过移除所述柔顺材料所形成的开口来暴露所述活塞的顶部表面的一部分。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述活塞的所暴露的部分包括所述活塞的所述顶部表面的表面积的至少50％。

10.根据权利要求8所述的方法，其中移除所述基底的所述部分使得所述活塞的形状在一个方向上比在另一个方向上更长。

11.根据权利要求8所述的方法，其中移除所述基底的所述部分使得所述活塞还包括从所述活塞的底部表面远离所述柔顺材料层延伸的支撑结构。

12.根据权利要求8所述的方法，其中所述实心基底包含硅。

13.根据权利要求8所述的方法，其中所述柔顺材料层包含液体硅橡胶(LSR)。

14.一种用于电声换能器的组件，所述电声换能器被布置为适配在人耳道内，所述组件包括：

活塞，所述活塞包括椭圆形硅板，所述椭圆形硅板具有平坦的顶部表面并用作隔膜；

椭圆形硅支撑环，所述椭圆形硅支撑环围绕所述活塞并且通过间隙与所述活塞分离；和

柔顺材料层，其附着到所述支撑环的顶部表面并附着到所述活塞的所述顶部表面，所述柔顺材料层将所述活塞悬挂在所述间隙中。

15.根据权利要求14所述的组件，还包括：

椭圆形线轴，所述椭圆形线轴附着到所述活塞的周边，并且沿远离所述柔顺材料层的方向从所述活塞延伸，和

椭圆形音圈，所述椭圆形音圈缠绕在所述线轴周围。

16.根据权利要求15所述的组件，其中所述活塞还包括支撑结构，所述支撑结构在所述活塞的周边处从所述活塞的底部表面远离所述柔顺材料层延伸。

17.根据权利要求14所述的组件，还包括：

圆形线轴，所述圆形线轴附着到所述活塞的与所述顶部表面相反的底部表面、沿远离所述柔顺材料层的方向从所述活塞延伸，和

圆形音圈，所述圆形音圈缠绕在所述线轴周围。

18.根据权利要求17所述的组件，其中所述活塞还包括支撑结构，所述支撑结构在对应于所述线轴的形状的圆形路径上从所述活塞的底部表面远离所述柔顺材料层延伸。

19.根据权利要求14所述的组件，其中所述柔顺材料层不在所述活塞的整个顶部表面上方延伸。

20.一种被布置为适配在人耳道内的电声换能器，包括：

活塞，所述活塞包括椭圆形硅板，所述椭圆形硅板具有平坦顶部表面并用作隔膜；

椭圆形硅支撑环，所述椭圆形硅支撑环围绕所述活塞并通过间隙与所述活塞分离并且联接到外壳；

柔顺材料层，其附着到所述支撑环的顶部表面并附着到所述活塞的所述顶部表面，所述柔顺材料层将所述活塞悬挂在所述间隙中；

椭圆形线轴，所述椭圆形线轴附着到所述活塞的周边，并且沿远离所述柔顺材料层的方向从所述活塞延伸；

椭圆形音圈，所述椭圆形音圈缠绕在所述线轴周围；和

椭圆形磁性组件，所述椭圆形磁性组件定位在所述线轴内部并且联接到所述外壳。

21.根据权利要求20所述的电声换能器，其中所述柔顺材料层不在所述活塞的整个顶部表面上方延伸。

22.一种被布置为适配在人耳道内的电声换能器，包括：

活塞，所述活塞包括椭圆形硅板，所述椭圆形硅板具有平坦顶部表面并用作隔膜；

椭圆形硅支撑环，所述椭圆形硅支撑环围绕所述活塞并通过间隙与所述活塞分离并且联接到外壳；

柔顺材料层，其附着到所述支撑环的顶部表面并附着到所述活塞的所述顶部表面，所述柔顺材料层将所述活塞悬挂在所述间隙中；

圆柱形线轴，所述圆柱形线轴附着到所述活塞的周边并且沿远离所述柔顺材料层的方向从所述活塞延伸；

圆柱形音圈，所述圆柱形音圈缠绕在所述线轴周围；和

圆柱形磁性组件，所述圆柱形磁性组件定位在所述线轴内部并且联接到所述外壳。

23.根据权利要求22所述的电声换能器，其中所述柔顺材料层不在所述活塞的整个顶部表面上方延伸。

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