CN114073103A - 声学弯曲转换器系统和声学装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有多个弯曲转换器(3，4，5)的声学弯曲转换器系统(1，2)，这些弯曲转换器被配置为使得弯曲转换器(3，4，5)的可变形元件(3₁，3₂，4₁；3₂，3₄，4₂；3₁，3₂，3'₁，3'₂)在公共平面层(10)中共面振荡，其中，弯曲转换器(3，4，5)包括可变形元件(3₁，3₂，4₁；3₂，3₄，4₂；3₁，3₂，3'₁，3'₂)沿公共纵轴的不同谐振频率和不同膨胀，该公共纵轴横向于可变形元件(3₁，3₂，4₁；3₂，3₄，4₂；3₁，3₂，3'₁，3'₂)的振荡方向。此外，本发明涉及一种具有这种声学弯曲转换器系统(1，2)的声学装置。

Description

声学弯曲转换器系统和声学装置

技术领域

根据本发明的实施例涉及一种微机械声音转换器。

背景技术

本发明的技术领域可以归因于以下三个描述微机械设备的文献：

·WO 2012/095185 A1/标题：MIKROMECHANISCHES BAUELEMENT

·WO 2016/202790 A2/标题：MEMS TRANSDUCER FOR INTERACTING WITH AVOLUME FLOW OF A FLUID AND METHOD FOR PRODUCING SAME

·DE 10 2015 206 774 A1

基本上，这些文献公开了弯曲转换器的结构及其与环境相互作用的特定选项和机制。具体地，上述文献涉及一种新颖的MEMS(微机电系统)致动器原理，其基于硅梁在平面(例如，由硅盘或晶片限定的衬底平面)中横向移动的事实。这里，连接到腔体中的衬底的硅梁与体积流相互作用。其中描述的新颖MEMS被定义为NED(纳米级静电驱动)。

由于它们的比例，这些NED特别适用于对集成要求更高的日常设备的小型化(在维持完整功能范围的同时减少组件)。例如，诸如智能手表或耳戴式设备之类的超移动终端设备受到非常严格的安装空间设计限制。通过上述NED，可以实现能够满足这些增加的需求的声音转换器，其中，与传统声音转换器相比，可以显著地提高声量和音质。这里，集成要求涉及对现有安装空间的总体适应性以及具有若干组件的系统设计。

文献DE 10 2017 114 008 A1公开了一种助听器或耳机，其设计成使得外壳的外部尺寸对应于耳道的内部尺寸。基于MEMS的声音转换器被布置在外壳中，使得在鼓膜方向上形成前体积，并且在耳承方向上形成后体积，它们被基于MEMS的声音转换器彼此分开。关于其几何尺寸，该声音转换器被配置为使得其不限制谐振体积的几何尺寸，然而，难以在大频率范围内保持频率响应恒定。此外，声音转换器由弯曲转换器组成，这些弯曲转换器弹性地悬挂在跨腔体延伸的一侧上，并且其边缘区域由前侧处的间隙隔开。由于声音转换器的曲率，间隙增加。此外，公开了由侧壁形成的隔音装置，即，腔体的所谓隔音壁。这些隔音壁被布置为使得其至少部分地防止横向声音沿间隙通过。本公开的缺点在于，声音转换器是压电的，并且因此受到预弯曲，使得公开的措施用于最小化由于该预弯曲而出现的不准确性。

文献DE 10 2017 108 594 A1公开了一种用于产生可听范围内的声波的便携式设备的扬声器单元，其特征在于低结构大小和高性能。除了电动扬声器之外，扬声器单元包括基于MEMS的高频扬声器，其中，两个扬声器的频率范围重叠。因此，电动扬声器以紧凑的方式形成，并且针对低频进行了优化。然而，由于必须操作两种不同的系统技术，因此高空间要求和高功耗仍然是不利的。

此外，文献DE 196 124 81 A1公开了一种相对于纵轴倾斜的用于助听器的声音转换器的布置。发声膜是布置在两个表面电极之间并且通过其振荡在可听波长频谱中产生声音的导电膜。该膜不相对于鼓膜平行布置，由此最小化耳道中不期望的谐振。然而，在该结构中，没有其他功能元件可以单片集成，因此在耳道外部需要附加空间。

已知的解决方案无需声音转换器的特别密集装填或使用外部组装方法来补充各个功能(例如，电连接)。

考虑到上述情况，需要一种与现有技术相比允许增加设备的装填密度以便有效且高效地实现高声压的构思。

因此，本发明的目的是提供一种具有提高的效率的声学弯曲转换器系统和一种用于改善诸如耳道之类的管道中的声音转换的声学装置。

该目的通过独立权利要求1和11中的主题和教导来解决。

例如，通过弯曲转换器系统的多个弯曲转换器的紧凑布置，在弯曲转换器系统周围的环境中确保高再现质量，该弯曲转换器系统被配置为声音转换器，并且允许在有限空间条件下集成其他的系统组件。由于转换器和周围安装空间的组合，由声音转换器再现的频率响应可以例如经由诸如耳道之类的管道中的体积流的倾斜定向，在大频率范围内保持恒定。一种变化可以例如小于6dB。

本申请描述了在空间要求、声压级和音质方面优化弯曲转换器布置的进一步发展，这些方面可以由NED在特定环境中(例如，在人耳的耳道中)提供。

提出了一种具有多个弯曲转换器的声学弯曲转换器系统，这些弯曲转换器被配置为使得弯曲转换器的可变形元件在公共平面层中共面振荡，其中，弯曲转换器包括可变形元件沿公共纵轴的不同谐振频率和不同膨胀，该纵轴横向于可变形元件的振荡方向。弯曲转换器可以例如是静电弯曲致动器(NED致动器)、压电致动器或热机械致动器。多个弯曲转换器被配置为在振荡平面中偏转。这里，弯曲转换器在公共平面层或振荡平面中沿第一轴并排布置，并且沿横向于第一轴的第二轴延伸。为了充分利用在同一公共平面层内的空间条件，单个或多个弯曲转换器也可以相对于平行定向的多个弯曲转换器倾斜地布置。

本申请的另一方面涉及一种声学装置(例如，助听器)，该声学装置包括：声学弯曲转换器系统，具有至少一个弯曲转换器，该至少一个弯曲转换器包括布置在腔体内的至少一个可变形元件；以及开口，与弯曲转换器在该腔体中的移动相互作用的流体体积流通过该开口；以及外壳，适于插入到管道中，其中，弯曲转换器系统保持在外壳中，使得流体体积流在外壳插入到管道中的状态下可以定向为倾斜于管道的纵轴。声学装置可以小型化，因此特别适合并入到入耳式助听器(IdO)和耳戴式设备以及智能手表和其他超移动终端设备中。

如上文和下文所述的声学弯曲转换器系统的特征的优点和功能相应地适用于设置有声学弯曲转换器系统的声学装置。

在从属权利要求中定义了进一步的创造性改进。

根据实施例，弯曲转换器系统包括：一个或若干个腔体，其中布置有弯曲转换器；以及该腔体中的一个或若干个开口，与多个弯曲转换器相互作用的流体体积流能够通过该开口。这里，腔体中的开口可以是经由流体体积流彼此连通的两个或若干个腔体的共同开口。此外，弯曲转换器系统的腔体中的开口能够使各个弯曲转换器或弯曲转换器系统与周围环境连通。

根据实施例，弯曲转换器被布置在由平行于公共振荡平面的第一衬底和第二衬底以及衬底之间的壁限制的空间中，所述壁在公共振荡平面中沿纵向方向或在横向于纵向方向的方向上将空间划分为布置在相邻弯曲转换器之间的腔体。这样，腔体例如受到第一衬底、第二衬底以及与相邻弯曲转换器相对的两个壁的限制。由于多个弯曲转换器被配置为经由它们的可变形元件在层的公共振荡平面中偏转，因此弯曲转换器距第一衬底和第二衬底的距离是可以将相邻腔体彼此流体耦接的距离。通过相邻腔体的流体耦接，多个弯曲转换器可以对腔体内的流体施加共同力，由此可以利用微机械声音转换器实现高声级。

取决于实施例，声学弯曲转换器系统的每个弯曲转换器可以包括可变形元件，该可变形元件能够以静电方式、压电方式或热机械方式变形。这导致以灵活方式使弯曲转换器系统适应期望要求的多个选项。

此外，当至少一个第一弯曲转换器的至少第一子集各自包括一个悬臂式可变形元件，并且附加地或备选地至少一个第二弯曲转换器的至少第二子集包括一个夹在两侧上的悬臂式变形元件时，该声学弯曲转换器系统特别有利。一方面，特定弯曲转换器的各个子集的分组允许适当地使用安装空间，并且同时允许类似弯曲转换器的特定定位以产生期望的频率或声压。由于每个弯曲转换器的可变形元件可以是悬臂式的或夹在两侧上，因此可以实现具有不同机械特性和尺寸的可变形元件的弯曲转换器，这些弯曲转换器再次负责产生不同的频率和声压。此外，可以以特别有利的方式使用存在于弯曲转换器系统的同一层中的安装空间。

这里，有利地，对于悬臂式弯曲转换器，由于悬臂式弯曲转换器的特征在于弯曲转换器的可变形元件的质量与长度的有利比率，因此在较高频率下产生较大振荡幅度。

为了能够再现不同的频率和/或产生不同的声压，根据特别有利的实施例，至少一个第一弯曲转换器的至少第一子集包括平均比至少一个第二弯曲转换器的至少第二子集高的谐振频率，反之亦然。由于对安装空间以及不同频率及其声压的特殊要求，可以调整相应弯曲转换器的可变形元件的刚度、质量、长度和截面几何形状。

为了能够以非常简单和专用的方式再现不同的频率和/或产生不同的声压，至少一个第一弯曲转换器的第一子集包括平均比至少一个第二弯曲转换器的第二子集短的长度。

根据特别优选的实施例，每个弯曲转换器限制两个相对的腔体，其中，能够经由用于通过流体体积流的至少一个开口进入每个腔体。因此，可以流体耦接各个腔体，并且由此具体地控制由各个弯曲转换器传输的体积流的特性，这相对于可以建立的体积流的压力或声压可能是特别合乎需要的。

为了通过声学弯曲转换器系统在人类听觉可及的频谱中产生声压，建议在弯曲转换器中提供长度大于100μm的可变形元件。为了允许小型化声音转换器的非常紧凑的结构，每个弯曲转换器的可变形元件的长度应当小于4000μm。为了节省空间，将弯曲转换器系统并入到纵向延伸的套管中，弯曲转换器系统沿公共纵轴的外部尺寸最大横向于公共平面层，并且大于弯曲转换器系统横向于公共平面的外部尺寸。

在特别优选的实施例中，弯曲转换器系统沿公共纵轴的外部尺寸在750μm和2000μm之间。在甚至更优选的实施例中，弯曲转换器系统沿公共纵轴的外部尺寸在800μm和1200μm之间。具有上述外部尺寸的弯曲转换器系统可以以节省空间的方式并入到入耳式助听器中，其中，可以确保用户足够的收听质量。

在特别优选的实施例中，弯曲转换器的外表面描述了沿公共纵轴与公共平面层共面的纵向椭圆形、沿公共纵轴与公共平面层共面的纵向矩形、或沿公共纵轴与公共平面层共面的纵向多边形。这种纵向形状允许很好地利用具有圆柱形或矩形截面的纵向延伸套管中的安装空间。此外，通过合适地选择弯曲转换器系统的外表面或外部轮廓，纵向延伸的套管的内截面可以本质上被完全填充，例如，耳道可以被密封。

根据有利的实施例，弯曲转换器被划分为一个或若干个弯曲转换器的组，其中，在若干个弯曲转换器的组中，若干个弯曲转换器沿公共纵轴布置在彼此后面。在这种布置中，受弯曲转换器的相应可变形元件影响的体积流的各个压力将相加。因此，通过弯曲转换器的有利交错或分组以及它们的选择性激活，不仅可以具体地控制分配到环境中的体积流的期望压力或声压，而且还可以产生不同的声音频率。例如，短弯曲转换器可以布置在开口区域中，因为其特征在于相对于长弯曲转换器具有相对较高的刚度，由此高谐振频率成为可能。只要这种弯曲转换器被布置在将腔体与环境连接的开口区域中，就可以防止谐振，从而可以提高音质或收听质量。附加地或备选地，根据另一有利的实施例，弯曲转换器被划分为一个或若干个弯曲转换器的组，其中，在若干个弯曲转换器的组中，若干个弯曲转换器在横向于公共纵轴的公共平面上并排布置。类似于若干个弯曲转换器沿公共纵轴布置在彼此后面，在横向于公共纵轴的并排布置中，也可以控制期望的声压和声音的定位。

有利地，声学装置的弯曲转换器系统中的流体体积流在弯曲转换器系统的公共平面层的平面中流动。由于弯曲转换器系统的各个弯曲转换器的腔体和可变形元件的任意设计和定向，可以提供并因此控制弯曲转换器系统中的流体体积流的特定过程。因此，体积流可以被具体地引导到其对环境的影响最佳的位置。

为了获得与声学装置的环境特别有利的相互作用，弯曲转换器系统保持在外壳中，使得声学装置的流体体积流以相对于管道的纵轴倾斜5°和80°之间、10°和40°之间、或15°和30°之间的角度通过弯曲转换器系统的开口。通过相对于管道的纵轴布置弯曲转换器，可变形元件以相对于它们的定向(例如，在人耳的鼓膜方向上)的反平行方式定位，使得耳道中的谐振被最小化。此外，可以获得弯曲转换器的更高填充密度，并且可以获得相对于管道的截面积更高的声压，其中，产生了声学装置的更大声学有效表面。

为了能够以特别有效的方式使用声学装置，声学弯曲转换器系统可以经由通过开口的流体体积流来接收和/或发射声学信号。因此，声学弯曲转换器系统能够同时作为声学信号的接收器和/或发送器操作，这再次显著地增加了声学装置使用期间的灵活性。这里，发送或接收声学信号可以交替地或连续地发生。

根据优选实施例，声学装置还包括：控制单元，用于控制弯曲转换器系统的各个弯曲转换器；以及能量供应源，用于操作声学装置。另外，由于声学弯曲转换器系统小型化的多种选择，尽管声学装置具有低尺寸，但可以以节省空间的方式将其他设备或构件并入其中。这本质上有助于提高声学装置的佩戴舒适度和用户友好性。

为了在声学装置的使用中获得特别高的灵活性，两个或更多个声学弯曲转换器系统可以保持在外壳中，其中，两个或更多个声学弯曲转换器系统的公共平面层被平行地定向。由此，例如，可以以衬底堆叠的形式布置或制造声学装置，由此可以以相对较低的制造成本实现高度复杂的结构。此外，以这种方式，声学装置也可以容易地以单个方式进行调整。最后，通过堆叠若干个声学弯曲转换器系统，可以产生更高的声压，和/或可以覆盖更大的可显示频率范围。

有利地，声学装置可以由若干层或不同材料的衬底单片地构造，该若干层或不同材料的衬底经由公共层彼此接合或连接。例如，这可以以在公共器件晶片上方布置盖晶片或在公共器件晶片下方布置处理晶片的形式发生。

为了提供特别节省空间和紧凑形式的声学装置，控制单元和/或能量供应源被布置在弯曲转换器系统的公共平面层中。显然，控制单元被配置用于流体动态衰减、用于信号处理、用于无线通信、用于电压变换。控制单元可以包括传感器、用于存储数据的软件等，它们单个地或一起布置在同一声学装置中，或者备选地与声学装置分开设置。

附图说明

下面将参考附图更详细地讨论根据本发明的实施例。关于所示的示意图，应当注意，所示的功能块可以被认为是本发明装置的元件或特征以及本发明方法的相应方法步骤，并且本发明方法的相应方法步骤也可以由此导出。它们示出了：

图1是根据本发明的实施例的弯曲转换器系统的透视图；

图2是图1的具有衬底平面的实施例的透视图；

图3是根据本发明的另一实施例的弯曲转换器系统的透视图；

图4是图3的具有衬底平面的实施例的透视图；

图5是人耳的耳道、鼓膜和耳承的截面图；

图6a是根据本发明的实施例的处于激发状态的弯曲转换器系统的元件的透视图；

图6b是根据本发明的实施例的图6a的处于另一激发状态的弯曲转换器的元件的透视图；

图7是根据图6a的实施例的弯曲转换器沿截面A的截面图；

图8是根据本发明的另一有利实施例的弯曲转换器系统的透视图；

图9是根据本发明的另一有利实施例的弯曲转换器的截面图。

具体实施方式

在下面参考附图更详细地讨论本发明的实施例之前，应当注意，不同附图中的相同的、功能相等的或相等的元件、对象和/或结构在不同附图中设置有相同的或相似的附图标记，使得不同实施例中所示的这些元件的描述是可互换的或者可相互应用的。

图1示出了根据本发明的实施例的呈分层设备100形式的弯曲转换器系统的透视图，该分层设备100包括堆叠于彼此顶部的第一弯曲转换器系统1和第二弯曲转换器系统2。设备100可以包括其他弯曲转换器系统，其例如以分层的形式布置在弯曲转换器系统1处和/或布置在弯曲转换器系统2处。弯曲转换器系统1或弯曲转换器系统2包括具有相同的或不同的预定义长度的若干个弯曲转换器3、4。在弯曲转换器系统1的表面上，示例性地示出了不同长度的弯曲转换器3、4的布置。这里，由实线指示的弯曲转换器3比由短虚线指示的弯曲转换器4长。在本实施例中，弯曲转换器系统1以及弯曲转换器系统2均以L形方式配置，使得堆叠在彼此顶部上的两个弯曲转换器系统1和/或2堆叠成L形设备100。L形设备100的各个分支具有不同的长度。在L形设备100的较短分支的区域中，布置了具有第三长度的其他弯曲转换器4以及弯曲转换器5，其由点划线指示。各个转换器3、4和5的长度例如为：弯曲转换器3为1000μm至4000μm；弯曲转换器4为500μm至2000μm；弯曲转换器5为100μm至1000μm。根据优选实施例，可以例如如下选择各个长度比：弯曲转换器3与弯曲转换器4的长度比在1:1.5至1:3之间；弯曲转换器3与弯曲转换器5的长度比在1:1.5至1:3之间；或弯曲转换器4与弯曲转换器5的长度比在1:1.5至1:3之间。

在本实施例中，各个弯曲转换器系统1或2由弯曲转换器3、4和5组成，弯曲转换器3、4和5在弯曲转换器系统1或弯曲转换器系统2的平面中彼此平行布置，其中，各个弯曲转换器3、4和5沿L形设备100的较长分支定向。在设备100的纵向方向的前侧上，提供开口13以允许弯曲转换器系统1或弯曲转换器系统2中包括的腔体(本文未示出)与环境连接。由于设备100的L形，各个弯曲转换器3、4和5被布置为使得短弯曲转换器4、5布置在L形设备100的较短分支中，其中，较长的弯曲转换器3被布置在L形设备的较长分支中。

在该实施例中，弯曲转换器3、4和5沿设备的最长侧定向。与其不同，实施例还可以包括沿弯曲转换器系统1和/或2或设备100的最短侧的弯曲转换器定向。因此，开口13然后不布置在区域13中，但是总是布置在弯曲转换器3、4夹在两侧上的夹具的区域中，或者布置在夹具14和悬臂式弯曲转换器5的可自由移动端的区域中。

弯曲转换器3、4和5被布置为使得短弯曲转换器5靠近开口13布置。一方面，这导致在弯曲转换器系统1和/或2内可以获得较高的装填密度以及这导致较高声压的优点。另一方面，可以防止谐振，这对音质具有积极的影响。

在本实施例中，控制单元21被布置为与分层设备100相邻，使得控制单元21将设备100补充为矩形形式，与设备100的L形互补。由此，利用了L形设备100的各分支之间可用的现有安装空间，这导致特别紧凑的形式。

实施例不限于设备的外部尺寸的L形配置。其他实施例不限于弯曲转换器3、4和5的所示布置，事实上，布置对于每个弯曲转换器系统1或2可以不同(参见图9)。

图2以透视图示出了图1的实施例。另外，示出了衬底层的衬底平面9，其平行于衬底层延伸。此外，示出了公共移动平面10由相应弯曲转换器的移动方向6、7和8形成，其中，弯曲转换器3、4和5的可变形元件在公共平面衬底层或移动平面10中共面振荡。移动平面10和衬底平面9彼此平行布置。

图3以透视图示出了具有椭圆形外形的两个堆叠弯曲转换器系统1和2的设备100的实施例。开口13优选地布置在弯曲转换器3、4夹在两侧上的夹具14的区域中，或者布置在夹具14和悬臂式弯曲转换器5的可自由移动端的区域中。设备100的椭圆形外部几何形状或形状的优点在于，设备100可以以倾斜方式布置在超移动终端设备的圆柱形或几乎圆柱形的外壳中。

该实施例示出了弯曲转换器3、4和5沿椭圆形设备几何形状的最长定向的布置。以同样的方式，实施例可以包括弯曲转换器3、4和5的偏离定向，或者可以包括弯曲转换器3、4和5偏离其的定向。此外，实施例可以包括用于每个分层弯曲转换器系统1或2、2+n的弯曲转换器3、4和5的不同定向。

其他优选实施例不限于这种椭圆形状，并且适于或可适于给定的空间条件和声学边界条件以获得最大声压。

图4以透视图示出了图3的实施例。另外，示出了平行于衬底层延伸的衬底平面9，其中，弯曲转换器3、4和5的可变形元件在公共平面衬底层或移动平面10中共面振荡。此外，示出了移动平面10由相应弯曲转换器的移动方向6、7和8形成。移动平面10和公共平面衬底层或衬底平面9彼此平行布置。

图5以截面图示出了耳道31、鼓膜32和耳承30。可以看出，耳道具有圆柱形几何形状或形状。101指示超移动终端设备的外部尺寸，例如，其外壳的外套管，该外部尺寸适于耳道31，并且相对于环境本质上密封耳道31。这种外壳101可以适于各个用户，但是必须以昂贵的、主要是增材式的以及缓慢的方法单独生产。然而，它们允许超移动终端设备在耳道31中处于最佳位置。实施例还可以具有简化的几何形状，该几何形状不同于以廉价的方法(例如，注塑方法)制造的单独适应的几何形状。在耳道中，这些几何形状没有超移动终端设备或其外壳101的最佳配合，这就是为什么需要高音质的高声压来补偿这些不准确性的原因。设备100或弯曲转换器系统相对于外壳101的纵轴11倾斜的布置允许增加设备100或弯曲转换器系统1或2的声学有效表面，一方面，用于在弯曲转换器系统1或2中布置更多数量的弯曲转换器3、4和5，和/或用于在弯曲转换器系统1或2中集成更长的弯曲转换器3、4和5。设备100或弯曲转换器系统1或2相对于纵轴106围绕超移动终端设备的横轴105倾斜，其中，移动平面10和纵轴106之间的倾角α在90°和180°之间的范围内，优选地在150°和170°之间的范围内，特别优选地为160°。

通过相对于外壳轴来布置致动器，可变形元件相对于耳鼓的定向反平行定位。这最小化了耳道中的谐振。

实施例不限于所示围绕外壳101的横轴的倾斜。显然，也可以围绕外壳101的纵轴106和竖直轴107倾斜设备100。

图6a以透视图示出了根据本发明的实施例的处于激发状态的设备100'的元件。

具体地，图6a以透视图和高度简化图示出了衬底的设备100'的一部分，而没有示出盖晶片18和处理晶片19。

声学装置可以有利地由若干层或不同材料的衬底单片地构造，该若干层或不同材料的衬底经由公共层连接或接合。例如，这可以以在公共器件晶片20上方布置盖晶片18或在公共器件晶片20下方布置处理晶片19的形式发生。

通过从器件晶片20部分地去除材料来形成腔体11，其中，腔体由弯曲转换器3₂、3₄和4₂的边界17和相应可移动元件或电极来限定，以及由夹具14的区域中的衬底来限定。实施例包括腔体11的备选边界17。一方面，边界17可以牢固地连接到衬底，另一方面，边界17可以由另一弯曲转换器系统100'(由其他弯曲转换器3、4和5形成)的相邻电极组成。

在本实施例中，所示的弯曲转换器3₂、3₄、4₂以及弯曲转换器3₁，3₂和4₁夹在两侧上，并经由相应的夹具14连接到衬底。实施例还包括悬臂，与两侧夹具相比，该悬臂具有可自由移动端的较大偏转的优点。

弯曲转换器3、4和5在弯曲转换器系统1和/或2中可以是悬臂式的或夹在两侧上。这里，将布置在开口13的区域中的较短弯曲转换器4、5悬置，并将朝向构件中心布置的较长弯曲转换器3夹在两侧上是有用的。由于较短悬臂式弯曲转换器5的特征在于质量与弯曲转换器长度的有利比率，这有利地导致较短悬臂式弯曲转换器5在较高频率下的较大振荡幅度。

此外，在这种弯曲转换器系统1和/或2中示出了与体积流相互作用(例如，用于声音生成或用于泵送流体)的基本功能原理。在第一时间间隔内，弯曲转换器3₁、3₂、4₁以及弯曲转换器3₂、3₄和4₂在腔体11的相对边界17的方向上移动，因此减小了腔体11内的体积。由该体积减小产生的体积流16将腔体11中包含的流体通过开口13输送出腔体11。

在这种弯曲转换器系统1和/或2中，图6b还示出了与体积流相互作用(例如，用于产生声音或用于泵送流体)的基本功能原理。在第二时间间隔内，弯曲转换器3₁、3₂、4₁以及弯曲转换器3₂、3₄和4₂远离腔体11的相对边界17移动，因此增加了腔体11的体积。由该体积增加产生的体积流16将流体通过开口13输送到腔体11中。

备选实施例不包括牢固地连接到衬底的边界17，但是包括其他弯曲转换器，其可以是悬臂式的或夹在两侧上，并且本文未示出。在这种情况下，在第一时间间隔内，相邻的弯曲转换器系统1和2远离彼此移动以增加腔体11的体积，并朝向彼此移动以减小腔体的体积。实施例的进一步发展可以包括牢固地连接到衬底和/或不牢固地连接到衬底的边界17的组合。

图7示出了图6a的设备100'沿截面A的截面的截面图。这里，示出了处理晶片19和盖晶片18，它们形成了由弯曲转换器3₁、3₂和器件晶片20的区域中的边界17限制的腔体11的竖直限制。该结构是层堆叠，其中，各个层以机械固定的方式并且特别是以牢固接合的方式彼此连接。这些层在附图中未示出。导电层的分层布置允许简单的配置，因为可以通过简单地从层20去除来获得腔体11，并且弯曲转换器结构可以通过适当调整生产过程来保持。备选地，还可以通过其他措施或过程(例如，通过在腔体11内产生和/或定位)完全地或部分地将弯曲转换器结构布置在腔体11中。在这种情况下，与衬底中剩余的层20的部分相比，弯曲转换器结构可以以不同方式形成，即，可以包括不同的材料。

图8以透视图示出了具有上弯曲转换器系统1的分层设备100的备选实施例，该上弯曲转换器系统1包括盖晶片18₁中的竖直布置的开口13₁，其用于将腔体11与环境连接。第二弯曲转换器系统2布置在第一上弯曲转换器系统1的下方，并且包括器件晶片20中的横向布置的开口13。实施例不限于所示的两个弯曲转换器系统1和2的系统，事实上，可以布置仅一个弯曲转换器系统1或2或多个弯曲转换器系统1、2…。控制单元21紧邻地布置，该控制单元21是设备100的一部分，并且导致弯曲转换器系统1的可用安装空间的限制，并且该控制单元21连接到弯曲转换器系统(未示出)。上弯曲转换器系统1的处理晶片19中的其他开口可以被布置为使得它们连接到第二弯曲转换器系统2的盖晶片18中的开口。在实施例中，当通过向前看图9，第二弯曲转换器系统2的器件晶片20'可以接管该功能时，可以省略第一弯曲转换器系统1的处理晶片19。

图9以截面图示出了具有顶弯曲转换器系统1(包括盖晶片18中的竖直布置的开口131)的备选设备100”的实施例。在该实施例中，器件晶片20和20'机械地连接，具体地，经由表示盖晶片以及处理晶片的公共衬底层22彼此牢固地接合。该实施例示例性地示出了开口13₁、13'₁、13”₁可以如何布置在盖晶片、处理晶片或器件晶片中以获得相对于声音方向的最佳定向。因此，声音方向可以经由设备100”的可变形元件或弯曲转换器3₁、3₂、3'₁和3'₂的移动产生的与环境相互作用的体积流来确定。

在下文中，将描述根据本发明的其他可能的实施例。总之，可以例如安装在助听器中的弯曲转换器3、4和5，或包括一个或若干个这种弯曲转换器3、4和5的弯曲转换器系统1和/或2，或包括一个或若干个这种弯曲转换器系统1和/或2的设备100、100'、100”可以被认为是：

1.弯曲转换器系统

ο具有适应周围几何形状的外部尺寸，并且周围几何形状包括大致对应于声音方向的纵轴

ο包括不同长度的弯曲转换器，其由布置在腔体中并连接到衬底的可变形元件组成

ο可变形元件的变形在衬底平面中(平面中)横向于侧向方向发生

ο包括多个可变形元件，其各自的移动方向在衬底平面中形成公共移动平面

ο可变形元件具有不同的长度，从而实现不同的最大偏转

ο根据现有空间布置不同长度的弯曲转换器，使得由移动平面和弯曲转换器系统的外部尺寸形成的区域的面积使用最大化

ο以及移动平面相对于周围几何形状的纵轴106倾斜至少一个角度。

2.短弯曲转换器布置在开口区域中，

3.长弯曲转换器布置在中心/空间可用处

4.弯曲转换器系统围绕周围几何形状的横轴倾斜。

4.1移动平面10相对于周围几何形状的纵轴106的角度在90°和180°之间，优选地在150°和170°之间，并且特别优选地为160°。

5.在实施例中，弯曲转换器系统围绕周围几何形状的纵轴和/或竖直轴倾斜

5.1与5.1的可比角度

6.在实施例中，布置在开口区域中的短弯曲转换器夹在一侧上(悬臂式)，而长弯曲转换器夹在两侧上。

6.1在一侧上夹住对于短于约2000μm的弯曲转换器是可能的

6.2在两侧上夹住对于长于约1000μm的弯曲转换器是可能的

6.3在弯曲转换器系统中，夹在一侧上(悬臂式)或夹在两侧上的弯曲转换器的任何组合是可能的，目标始终是高声压，同时具有宽频率范围

7.另外，包括具有上述特征的弯曲转换器系统的设备还可以包括其他装置：

·用于流体动态衰减的装置

·用于信号处理的装置

·用于无线通信的装置

·用于电压变换的装置

·传感器

·软件

·用于存储数据的装置

·用于能力供应的装置

8.耳机包括具有上述特征的弯曲转换器系统的至少一个设备，其中：

8.1耳机的外部尺寸几乎对应于耳道的内部尺寸

8.2耳机被配置为使得当用户已经插入耳机时设备被布置在耳道中

8.3耳机被配置为使得耳机几乎完全闭合耳道

8.4耳机被配置为使得它们的外部尺寸不对应于用户耳道的外部尺寸，但因此可以经济高效地大批量生产。

此外，将弯曲转换器系统布置为声音转换器系统取决于本领域技术人员。本文解决的技术教导向本领域技术人员公开了必须如何布置多个弯曲转换器以在有限的预定义安装空间中获得高声学质量同时具有宽频率范围的特征。

此外，本领域技术人员可以推断出移动平面如何由多个移动方向形成以及移动平面如何相对于围绕声音转换器系统的空间的纵轴和/或横轴和/或竖直轴倾斜的技术教导。

预定义空间是例如由耳道、其他传感器或以下系统技术引起的几何尺寸：

·用于流体动态衰减的系统技术

·用于信号处理的系统技术

·用于无线通信的系统技术

·用于电压变换的系统技术

·用于存储数据的系统技术

·用于能量供应的系统技术

有利地，弯曲转换器系统的短弯曲转换器将布置在极少空间可用处和/或在连接腔体和环境的开口区域中。这些开口在弯曲转换器系统的外部限制的区域中。另一方面，长弯曲转换器主要布置在弯曲转换器系统的中心。这具有以下优点：最佳地利用现有空间，以获得各个弯曲转换器的高装填密度，从而提高声压级。此外，长弯曲转换器由于其低刚度能够实现较低的谐振频率。

短弯曲转换器的特征在于具有相对较高的刚度，其能够实现高谐振频率。只要这些弯曲转换器布置在连接腔体和环境的开口区域中，就可以防止谐振，从而可以提高音质。

在管状空间(例如，耳道)中倾斜布置的优点。

耳道大致是圆柱形，其尺寸为L×D＝25mm×0.7mm(Wiki)。

因此，闭合耳道的横向声学谐振(λ/2)在υ_T≈235kHz处，相应的纵向谐振在υ_L≈6.6kHz处。

处于“正常，即，径向”定向的耳机膜由纵向模式在υ_L≈6.6kHz处激发，并因此产生不需要的可听附加谐振。

处于“轴向”位置的耳机膜仅由横向模式在υ_T≈235kHz处激发。由于在声学上完全不相关，这要好得多。显然，弯曲转换器系统(类似膜)的大小将被选择为使得膜的低本征频率不会干扰。因此，弯曲转换器系统的大小不应过大。在60°倾角下，理想膜的本征频率约为2×6.6kHz＝13.2kHz。根据有关“真实现有耳机”的所有已知信息，这很好。

由于弯曲转换器系统的倾斜布置，弯曲转换器系统的较大占据面积可以布置在可用空间中(其上可以再次布置更长或更多的弯曲转换器)。通过使用更多数量的弯曲转换器，可以获得更高的声压。

另一优点在于，开口可以最佳地布置在由外部尺寸给出的声音方向的方向上。例如，图8示出了当设备以倾斜方式布置在耳道中时几乎沿声音方向布置的竖直布置的开口。

因此，本申请描述了关于优化设备在特定环境中可以产生的声量(声压级)和音质的进一步发展。

高集成要求涉及对现有安装空间的总体适应性以及若干组件的系统设计。

在超移动终端设备(例如，耳戴式设备、智能手表)中，例如具体是能量存储设备以及可能存在的其他HMI组件(触觉表面、显示器)受到安装空间设计(圆柱形/长方体或区域延伸/板状)的严格限制。为了仍然获得安装空间的最小化，需要将声音转换器与剩余的安装空间相匹配，并且以这样的方式实现高音量。

另外，在设计系统(超移动设备，例如通常是耳戴式设备或可穿戴设备)时，可能不能忽略音质方面。具体地，通过声音转换器组的特定设计，可以获得相对于声音发射或辐射适于几何环境的声音生成。关键驱动因素是频率相关效应，其中，特别是在高频下会发生干扰谐振。

利用本发明，可以显著地提高音质以及音量两者。

本发明的弯曲转换器的原理基于NED(纳米静电驱动)，并且在WO 2012/095185 A1中进行了描述。NED是新颖的MEMS(微机电系统)致动器原理。基本原理是硅梁在平面(由硅盘或晶片限定的衬底平面)中横向移动。这里，连接到腔体中的衬底的硅梁与体积流相互作用。此外，该设备包括布置在层堆叠的一层中的电子电路，其中，该电子电路连接到机电弯曲转换器，并且被配置为由于电信号而使弯曲转换器偏转。

附图标记列表

1 第一弯曲转换器系统

2 第二弯曲转换器系统

3 第一长度的第一弯曲转换器

4 第二长度的第二弯曲转换器

5 第三长度的第三弯曲转换器

6 第一弯曲转换器的移动方向

7 第二弯曲转换器的移动方向

8 第三弯曲转换器的移动方向

9 衬底平面

10 移动平面

11 腔体

12 移动平面和纵轴之间的夹角

13 开口

14 夹具

15 腔体的边界

16 体积流

17 腔体的边缘

18 盖晶片

19 处理晶片

20 器件晶片

21 ASIC

22 公共衬底层

30 耳承

31 耳道

32 鼓膜

100 设备

100' 设备的一部分

101 超移动终端设备的外部几何形状，例如，外壳

102 设备的长度

103 设备的宽度

104 设备的厚度

105 超移动终端设备的横轴

106 超移动终端设备的纵轴

107 超移动设备的竖直轴

108 角α。

Claims (15)

1.一种声学弯曲转换器系统(1，2)，包括：

多个弯曲转换器(3，4，5)，被配置为使得所述弯曲转换器(3，4，5)的可变形元件(3₁，3₂，4₁；3₂，3₄，4₂；3₁，3₂，3'₁，3'₂)在公共平面层(10)中共面振荡，其中，所述弯曲转换器(3，4，5)包括所述可变形元件(3₁，3₂，4₁；3₂，3₄，4₂；3₁，3₂，3'₁，3'₂)沿公共纵轴的不同谐振频率和不同膨胀，所述公共纵轴横向于所述可变形元件(3₁，3₂，4₁；3₂，3₄，4₂；3₁，3₂，3'₁，3'₂)的振荡方向。

2.根据权利要求1所述的声学弯曲转换器系统(1，2)，包括：

一个或若干个腔体(11)，其中布置有所述弯曲转换器(3，4，5)；以及开口(13；13₁，13'₁，13”₁)，与所述多个弯曲转换器(3，4，5)相互作用的流体体积流(16)能够通过所述开口。

3.根据权利要求1或2所述的声学弯曲转换器系统(1，2)，其中，至少一个弯曲转换器(3，4，5)的所述可变形元件(3₁，3₂，4₁；3₂，3₄，4₂；3₁，3₂，3'₁，3'₂)能够以静电方式、压电方式或热机械方式变形。

4.根据前述权利要求中任一项所述的声学弯曲转换器系统(1，2)，其中：

至少一个第一弯曲转换器(5)的至少第一子集包括至少一个悬臂式可变形元件，和/或

至少一个第二弯曲转换器(3，4)的至少第二子集包括分别夹在两侧的一个可变形元件(3₁，3₂，4₁；3₂，3₄，4₂；3₁，3₂，3'₁，3'₂)。

5.根据权利要求4所述的声学弯曲转换器系统(1，2)，其中：

至少一个第一弯曲转换器(5)的所述至少第一子集包括平均比所述第二弯曲转换器(3，4)中的至少一个的所述至少第二子集高的谐振频率，反之亦然。

6.根据权利要求4或5所述的声学弯曲转换器系统(1，2)，其中：

至少一个第一弯曲转换器(5)的所述至少第一子集包括平均比至少一个第二弯曲转换器(3，4)的所述至少第二子集短的长度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的声学弯曲转换器系统(1，2)，其中：

每个弯曲转换器(3，4，5)与至少一个腔体(11)接界，并且能够经由用于使所述流体体积流(16)通过的至少一个开口(13；13₁，13'₁，13”₁)进入每个腔体(11)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的声学弯曲转换器系统(1，2)，其中：

所述弯曲转换器系统(1，2)沿所述公共纵轴的外部尺寸在750μm和2000μm之间，并且特别优选地在850μm和1250μm之间。

9.根据前述权利要求中任一项所述的声学弯曲转换器系统(1，2)，其中：

所述弯曲转换器系统(1，2)的外表面描述了沿所述公共纵轴与所述公共平面层共面的纵向椭圆形、沿所述公共纵轴与所述公共平面层共面的纵向矩形、或沿所述公共纵轴与所述公共平面层共面的纵向多边形。

10.根据前述权利要求中任一项所述的声学弯曲转换器系统(1，2)，其中：

所述弯曲转换器(3，4，5)被划分为一个或若干个弯曲转换器(3，4，5)的组，其中，在具有若干个弯曲转换器(3，4，5)的组中，所述若干个弯曲转换器(3，4，5)沿所述公共纵轴布置在彼此后面；和/或其中：

在若干个弯曲转换器(3，4，5)的组中，所述公共平面层(10)中的所述若干个弯曲转换器(3，4，5)横向于所述公共纵轴并排布置。

11.一种声学装置，包括：

声学弯曲转换器系统(1，2)，具有至少一个弯曲转换器(3，4，5)，所述弯曲转换器(3，4，5)包括布置在腔体(11)中的至少一个可变形元件(3₁，3₂，4₁；3₂，3₄，4₂；3₁，3₂，3'₁，3'₂)；以及

开口(13；13₁，13'₁，13”₁)，与所述弯曲转换器(3，4，5)在所述腔体(11)中的移动相互作用的流体体积流(16)通过所述开口；以及

外壳(101)，适于插入到管道中，其中，所述弯曲转换器系统保持在所述外壳(101)中，使得所述流体体积流(16)在所述外壳(101)插入到所述管道中的状态下可以被定向为倾斜于所述管道的纵轴。

12.根据权利要求11所述的声学装置，其中，根据权利要求1至10中任一项所述的声学弯曲转换器系统(1，2)被配置为使得所述流体体积流(16)在所述弯曲转换器系统(1，2)的所述公共平面层(10)纵轴的平面中流动。

13.根据权利要求11或12所述的声学装置，其中：

所述弯曲转换器系统(1，2)保持在所述外壳(101)中，使得所述声学装置的流体体积流(16)以相对于所述管道的所述纵轴倾斜5°和80°之间、10°和40°之间、或15°和30°之间的角度通过所述弯曲转换器系统(1，2)的所述开口(13；13₁，13'₁，13”₁)。

14.根据前述权利要求11至13中任一项所述的声学装置，其中：

所述声学弯曲转换器系统(1，2)可以经由通过所述开口(13；13₁，13'₁，13”₁)的所述流体体积流(16)来接收和/或发射声学信号。

15.根据前述权利要求11至14中任一项所述的声学装置，还包括：

控制单元，用于控制所述弯曲转换器系统(1，2)的各个弯曲转换器(3，4，5)；以及

能量供应源，用于操作所述声学装置。

Images