CN114339552B - 一种发声装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发声装置，包括具有腔体的基底以及固定在基底上的若干悬臂振膜，每一悬臂振膜包括固定于基底的固定端以及自固定端延伸至悬置于腔体上方的自由端，自由端包括相对设置的第一表面和第二表面；自由端与基底或其他自由端间隔形成缝隙，发声装置还包括设置在第一表面上的第一介电弹性体驱动器、设置在第二表面上的第二介电弹性体驱动器、以及固定在缝隙的周缘以完全覆盖缝隙的柔性连接件。本发明利用上下两侧的介电弹性体驱动器共同对悬臂振膜作用，可提高发声装置的线性度；且由于没有音圈和磁路系统等复杂结构，可以获得更薄尺寸的发声装置。
Description
技术领域
本发明属于电声转换技术领域，尤其涉及发声装置。
背景技术
现有的发声装置通常包括振动系统和磁路系统，振动系统包括振膜和音圈，利用音圈来驱动振膜振动以产生声音，导致结构复杂且形成大尺寸结构；而目前使用MEMS(微型机电系统)技术的微扬声器通常采用压电式结构，虽然具有更加简单的结构，且与电磁式扬声器相比能够做得更薄的小尺寸，但是压电材料昂贵，导致成本较高。
发明内容
本发明的目的在于至少一定程度上解决现有技术中的不足，提供一种发声装置。
为实现上述目的，本发明提供了一种发声装置，包括具有腔体的基底以及固定在所述基底上的若干悬臂振膜，每一所述悬臂振膜包括固定于所述基底的固定端以及自所述固定端延伸至悬置于所述腔体内的自由端，所述自由端包括相对设置的第一表面和第二表面；所述自由端与所述基底或其他所述自由端间隔形成缝隙，所述发声装置还包括设置在所述第一表面上的第一介电弹性体驱动器、设置在所述第二表面上的第二介电弹性体驱动器、以及固定在所述缝隙的周缘以完全覆盖所述缝隙的柔性连接件。
可选地，所述第一介电弹性体驱动器包括依次层叠设置在所述第一表面上的第一电极层、第一介电弹性体薄膜和第二电极层；所述第二介电弹性体驱动器包括依次层叠设置在所述第二表面上的第三电极层、第二介电弹性体薄膜和第四电极层。
可选地，所述悬臂振膜由金属或高分子化合物制成；当所述悬臂振膜采用导电金属材质制成时，所述第一表面与所述第一电极层之间还设有第一绝缘层，所述第二表面与所述第二电极层之间还设有第二绝缘层。
可选地，所述悬臂振膜由导电金属材质制成，所述第一介电弹性体驱动器包括依次层叠设置在所述第一表面上的第一介电弹性体薄膜和第二电极层；所述第二介电弹性体驱动器包括依次层叠设置在所述第二表面上的第二介电弹性体薄膜和第四电极层。
可选地，所述柔性连接件与若干所述第一介电弹性体驱动器的所述第一介电弹性体薄膜一体成型。
可选地，若干所述第二介电弹性体驱动器的所述第二介电弹性体薄膜相互连接形成一个整体。
可选地，所述柔性连接件为平板状或拱形状结构，并与所述第一介电弹性体驱动器间隔设置。
可选地，所述第一介电弹性体驱动器的驱动电压和所述第二介电弹性体驱动器的驱动电压为周期相同且相位差为180°的交变电压。
可选地，若干所述悬臂振膜的呈中心轴对称分布，且所述悬臂振膜的自由端以渐缩方式朝向所述腔体的中心延伸。
可选地，所述第一介电弹性体薄膜和所述第二介电弹性体薄膜的杨氏模量为1kPa～100MPa。
与相关技术相比，本发明的发声装置利用悬臂振膜上下两侧的介电弹性体驱动器共同对悬臂振膜作用，以实现振动发声，可提高发声装置的线性度；且由于没有音圈和磁路系统等复杂结构，使得发声装置的结构更加简单，组装更加方便，整个振动部件的厚度可以低至20um以下，获得更薄尺寸的发声装置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明发声装置实施例一的结构示意图；
图2为本发明中介电弹性体驱动器的原理示意图；
图3为图1所示发声装置的信号连接示意图；
图4为图1所示发声装置的振动状态示意图；
图5为本发明发声装置实施例二的结构示意图；
图6为本发明发声装置实施例三的一种结构示意图；
图7为本发明发声装置实施例三的另一种结构示意图；
图8为本发明发声装置实施例四的结构示意图；
图9为本发明发声装置的一种俯视平面图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1，本发明的实施例一提供了一种发声装置，包括具有腔体11的基底10以及固定在基底10上的若干悬臂振膜20，每一悬臂振膜20包括固定于基底10的固定端21以及自固定端21延伸至悬置于腔体11上方的自由端22，自由端22包括相对设置的第一表面(即上表面)和第二表面(即下表面)；自由端22与相对另一个自由端22间隔形成缝隙23，并利用柔性连接件50来密封缝隙23。
第一表面上依次叠置有第一电极层31、第一介电弹性体薄膜32以及第二电极层33，第二表面上依次叠置有第三电极层41、第二介电弹性体薄膜42以及第四电极层43。
应当理解的是，第一至第四电极层优选采用石墨粉或碳基导电胶等材料制成的柔性电极；第一介电弹性体薄膜32和第二介电弹性体薄膜42采用高分子化合物，优选厚度为0.1um～1000um，该厚度范围内介电弹性体薄膜的刚度以及线性范围更加适中，杨氏模量为1kPa～100MPa，该膜量范围内介电弹性体薄膜的弹性、刚度良好，发声装置的偏振小。
也就是说，悬臂振膜20上方的第一电极层31、第一介电弹性体薄膜32以及第二电极层33共同形成第一介电弹性体驱动器30(Dielectric Elastomers Actuators--DEA)，本实施例中，柔性连接件50与若干第一介电弹性体驱动器30的第一介电弹性体薄膜32为一体成型结构，此时柔性连接件50作为第一介电弹性体薄膜32的一部分，即若干第一介电弹性体驱动器30共用一个第一介电弹性体薄膜32，并通过该第一介电弹性体薄膜32来密封缝隙23的上方。
悬臂振膜20下方的第三电极层41、第二介电弹性体薄膜42以及第四电极层43共同形成第二介电弹性体驱动器40。
介电弹性体驱动器是一种新型的软体驱动器，其可扩展性好，输出性能好且稳定易于控制，以悬臂振膜20上方的第一介电弹性体驱动器30进行举例说明，如图2所示，当对第二电极层33和第一电极层31施加一定电势差时，所产生的电场力使得两个电极相互吸引靠拢，以挤压中间的第一介电弹性体薄膜32，使得第一介电弹性体薄膜32厚度减少的同时平面内面积增大，导致长度方向伸长，即长度由L0变成L1，而此时由于第一介电弹性体驱动器30的伸长受到悬臂振膜20的第一表面限制，从而会在第一表面引入应力，导致悬臂振膜20向第二表面方向弯曲。
而由于介电弹性体驱动器电场力与施加电压的二次方呈正比关系(F∝V2)，若只在悬臂振膜20的一个表面设置介电弹性体驱动器，则会产生严重的非线性问题。因此，本发明实施例通过在悬臂振膜20的上下表面分别设置第一介电弹性体驱动器30和第二介电弹性体驱动器40，通过让第一介电弹性体驱动器30的驱动电压和第二介电弹性体驱动器40的驱动电压为周期相同且相位差为180°的交变电压，从而使悬臂振膜20沿上下方向反复振动空气以产生声音。
具体采用如图3所示的驱动信号，即第一介电弹性体驱动器30所产生的电场力为：F1∝(V0+V(t))2，第二介电弹性体驱动器40所产生的电场力为：F2∝(V0-V(t))2，其中，V0是直流偏置，V(t)是音频信号，F1和F2对悬臂振膜20的作用方向相反，从而最终的振动方向由F1-F2决定，如图4所示，经过运算可知，F1-F2∝4*V0*V(t)，即驱动力与音频信号线性相关，可以极大提高发声装置的线性度。
在本实施例中，若干第二介电弹性体驱动器40的第二介电弹性体薄膜42为一体成型结构，并完全覆盖缝隙23的下方；因此，第一介电弹性体薄膜32和第二介电弹性体薄膜42即可以作为介电弹性体驱动器的弹性层功能，又可以直接覆盖相邻悬臂振膜20之间的间隙，以确保没有声泄露，使结构更加简单。
进一步地，悬臂振膜20优选采用高分子化合物，例如可以是聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚、热塑性弹性体中的任意一种，也可以是，悬臂振膜20由上述多种材料层复合而成，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，本发明申请对此不做限定。
较佳地，悬臂振膜20也可以采用金属材质制成，例如可以是铝、铜、不锈钢中的任意一种；而当悬臂振膜20采用金属材质制成时，第一表面与第一电极层31之间还设有第一绝缘层61，以隔绝第一电极层31与金属悬臂振膜20的连接；第二表面与第三电极层41之间还设有第二绝缘层62，以隔绝第三电极层41与金属悬臂振膜20的连接；从而避免了介电弹性体驱动器的电极与金属悬臂振膜20直接连接而发生短路问题。
该悬臂振膜20的杨氏模量优选为1MPa～500GPa，该膜量范围内悬臂振膜20的弹性、刚度良好，使得发声装置的偏振小。
腔体11可以划分为一个或多个振动区域，每个振动区域中可以设置至少两个悬臂振膜20，在本实施例中，一个振动区域内设置有两个悬臂振膜20，两个悬臂振膜20相互对称设置，即两个悬臂振膜20的自由端22间隔相对以形成缝隙23，两个悬臂振膜20上侧的第一介电弹性体驱动器30共用一个第一介电弹性体薄膜32，两个悬臂振膜20下侧的第二介电弹性体驱动器40共用一个第二介电弹性体薄膜42，如此优化了发声装置的结构，易于发声装置的组装，同时提高了各零部件的连接强度。
较佳地，结合图9所示，本实施例中基底10的腔体11内设有六个悬臂振膜20，六个悬臂振膜20的呈中心轴对称分布，且悬臂振膜20的自由端22以渐缩方式朝向腔体11的中心延伸。也就是说，悬臂振膜20大致呈梯形状，包括与基底10固定连接的第一侧边、与第一侧边相对的第二侧边以及连接在第一侧边和第二侧边的两个斜边，第一侧边的长度大于第二侧边的长度。两个悬臂振膜20之间的相邻两个斜边之间形成缝隙23，即共形成有六个缝隙23，六个悬臂振膜20的六个第二侧边共同形成与六个缝隙23连通的六边形空心区域。每个悬臂振膜20上侧分别设有第一电极层31，六个第一电极层31的上表面设有一个整体第一介电弹性体薄膜32，第一介电弹性体薄膜32的上表面在对应第一电极层31的位置分别设有相应的第二电极层33；每个悬臂振膜20下侧分别设有第三电极层41，六个第三电极层41的下表面设有一个整体第二介电弹性体薄膜42，第二介电弹性体薄膜42的下表面在对应第三电极层41的位置分别设有相应的第四电极层43。第一至第四电极层在振动方向上的投影轮廓与对应的悬臂振膜20在振动方向上的投影轮廓相同，或第一至第四电极层的投影轮廓位于悬臂振膜20的投影轮廓内并与之相似。
请参阅图5所示，本发明实施例二所提供的一种发声装置，与上述实施例一的不同之处在于，本实施例中的悬臂振膜20采用金属材质制成，并省去了第一电极层、第三电极层和两个绝缘层，从而将悬臂振膜20充当共用电极功能，即悬臂振膜20的上表面直接依次叠设第一介电弹性体薄膜32和第二电极层33，由悬臂振膜20、第一介电弹性体薄膜32和第二电极层33共同形成第一介电弹性体驱动器30；悬臂振膜20的下表面直接依次叠设第二介电弹性体薄膜42和第四电极层43，由悬臂振膜20、第二介电弹性体薄膜42和第四电极层43共同形成第二介电弹性体驱动器40，如此优化了组装结构并简化了线路连接，可以获得制成更薄、尺寸更小的发声装置。
请参阅图6和图7所示，本发明实施例三所提供的一种发声装置，与上述实施例一的不同之处在于，本实施例中的悬臂振膜20上下两侧的第一介电弹性体驱动器30、第二介电弹性体驱动器40均为相互独立的结构，即各介电弹性体驱动器分别具有各自的介电弹性体薄膜，本实施例的发声装置还包括固定在缝隙23的周缘以完全覆盖缝隙23的柔性连接件50，该柔性连接件50固定在悬臂振膜20的上表面，并与第一介电弹性体驱动器30间隔设置。其中，柔性连接件50较佳采用如图6所示的拱形状结构，从而降低刚度，提高振幅；也可以采用如图7所示的平板状结构，对此本发明不做限制。
请参阅图8所示，本发明实施例四所提供的一种发声装置，与上述实施例一的不同之处在于，本实施例中基底10于腔体11内侧向悬臂振膜20方向凸出形成有支撑部12，该支撑部12与悬臂振膜20的自由端22间隔形成缝隙23，并可通过在悬臂振膜20的自由端22和支撑部12上设置柔性连接件50以完全覆盖该缝隙23，又或者使第一介电弹性体驱动器30的第一介电弹性体薄膜32延伸并固定在该支撑部12上以完全覆盖该缝隙23。
与相关技术相比，本发明的发声装置，利用悬臂振膜20上下两侧的介电弹性体驱动器共同对悬臂振膜20作用，以实现振动发声，可提高发声装置的线性度；且由于没有音圈和磁路系统等复杂结构，使得发声装置的结构更加简单，组装更加方便，整个振动部件的厚度(即第二电极层33和第四电极层43之间的厚度)可以低至20um以下，获得更薄尺寸的发声装置。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本发明所提供的技术方案的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种发声装置，包括具有腔体的基底以及固定在所述基底上的若干悬臂振膜，每一所述悬臂振膜包括固定于所述基底的固定端以及自所述固定端延伸至悬置于所述腔体内的自由端，所述自由端包括相对设置的第一表面和第二表面；其特征在于，所述自由端与所述基底或其他所述自由端间隔形成缝隙，所述发声装置还包括设置在所述第一表面上的第一介电弹性体驱动器、设置在所述第二表面上的第二介电弹性体驱动器、以及固定在所述缝隙的周缘以完全覆盖所述缝隙的柔性连接件，所述第一介电弹性体驱动器包括设置在所述第一表面上的第一介电弹性体薄膜，所述柔性连接件与若干所述第一介电弹性体驱动器的所述第一介电弹性体薄膜一体成型。
2.根据权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述第一介电弹性体驱动器还包括第一电极层和第二电极层，所述第一电极层、所述第一介电弹性体薄膜和所述第二电极层在所述第一表面上依次层叠设置；所述第二介电弹性体驱动器包括依次层叠设置在所述第二表面上的第三电极层、第二介电弹性体薄膜和第四电极层。
3.根据权利要求2所述的发声装置，其特征在于，所述悬臂振膜由金属或高分子化合物制成；当所述悬臂振膜采用导电金属材质制成时，所述第一表面与所述第一电极层之间还设有第一绝缘层，所述第二表面与所述第三电极层之间还设有第二绝缘层。
4.根据权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述悬臂振膜由导电金属材质制成，所述第一介电弹性体驱动器还包括第二电极层，所述第一介电弹性体薄膜和所述第二电极层依次层叠设置在所述第一表面上；所述第二介电弹性体驱动器包括依次层叠设置在所述第二表面上的第二介电弹性体薄膜和第四电极层。
5.根据权利要求2至4任一项所述的发声装置，其特征在于，若干所述第二介电弹性体驱动器的所述第二介电弹性体薄膜相互连接形成一个整体。
6.根据权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述柔性连接件为平板状或拱形状结构，并与所述第一介电弹性体驱动器间隔设置。
7.根据权利要求1所述的发声装置，其特征在于，所述第一介电弹性体驱动器的驱动电压和所述第二介电弹性体驱动器的驱动电压为周期相同且相位差为180°的交变电压。
8.根据权利要求1所述的发声装置，其特征在于，若干所述悬臂振膜的呈中心轴对称分布，且所述悬臂振膜的自由端以渐缩方式朝向所述腔体的中心延伸。
9.根据权利要求2-4任一项所述的发声装置，其特征在于，所述第一介电弹性体薄膜和所述第二介电弹性体薄膜的杨氏模量为1kPa～100MPa。
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