CN115152245A - 电声驱动器和包含该驱动器的扬声器 - Google Patents

Abstract

可以在扬声器系统中使用的电声驱动器，该系统利用具有磁性负弹簧(MNS)的驱动器(例如磁阻辅助驱动器(RAD)和永磁冠(PMC)驱动器)。该电声驱动器可用于所有音频频率，包括低音炮频率。该电声驱动器的磁性负弹簧可以抵消或部分抵消(音频扬声器的)声音面板上的较大压力，从而可以在小型/便携式扬声器中高效且经济地产生显著的低音炮音符。该电声驱动器可以包括稳定/定心机构，以克服MNS的不稳定力，该力对于单独的音圈来说太大而无法产生。

Description

电声驱动器和包含该驱动器的扬声器

相关专利/专利申请

本申请要求2020年1月21日提交的序列号为62/963,833的美国专利申请、2020年5月8日提交的序列号为63/022,125的美国专利申请以及2020年7月6日提交的序列号为63/048,393的美国专利申请的优先权，这些申请的发明名称均为“电声驱动器和包含该驱动器的扬声器”。

本申请与2020年6月4日提交的序列号为63/034,556的美国专利申请相关，该专利申请的发明名称为“音圈致动器和包含该音圈致动器的扬声器”。

本申请与2019年11月8日提交的序列号为62/932,971的美国专利申请(“Pinkerton的971专利申请”)和2020年1月17日提交的序列号为62/962,770的美国专利申请(“Pinkerton的770专利申请”)相关，这些申请的发明名称均为“改进的电声驱动器和包含该电声驱动器的扬声器”。

本申请还与Joseph F.Pinkerton等人的于2019年5月2日提交的序列号为PCT/US19/30438的发明名称为“扬声器系统及其使用方法”的国际专利申请相关，该国际专利申请要求(a)Joseph F.Pinkerton等人的于2018年5月2日提交的发明名称为“音频扬声器”、序列号为62/666,002的美国临时专利申请，以及(b)Joseph F.Pinkerton等人的于2019年2月13日提交的发明名称为“扬声器系统及其使用方法”、序列号为62/805,210的美国临时专利申请的优先权。

本申请还与Joseph F.Pinkerton等人的于2017年11月21日授予的序列号为9,826,313的发明名称为“紧凑型电声换能器和扬声器系统及其使用方法”的美国专利相关，且该美国专利是根据于2015年5月20日提交的序列号为14/717,715的美国专利申请授予的。

本申请还与David A.Badger等人的于2019年10月24日提交的序列号为PCT/US19/057871的发明名称为“立体声扬声器系统及其使用方法”的国际专利申请相关，该国际专利申请要求David A.Badger等人的于2018年10月24日提交的发明名称为“立体声扬声器系统及其使用方法”的序列号为62/749,938的美国临时专利申请的优先权。

所有上述专利申请被共同转让给了本发明的受让人，因此出于所有目的通过引用将其全部内容并入本文。

技术领域

本发明涉及电声驱动器以及具有且使用该电声驱动器的扬声器，特别是具有磁性负弹簧(MNS)的驱动器(例如磁阻辅助驱动器(RAD)和永磁冠(PMC)驱动器)以及具有且使用该驱动器的扬声器。

背景技术

图1是现有技术的音频力传感器100，其包括具有永磁体102的固定磁通量路径101(软铁)和具有电线圈104的滑动线圈支架103。永磁体102与电线圈104以气隙105隔开。磁力将使线圈支架103在z轴方向上向内和向外滑动(如图1所示)，其移动扬声器(未示出)的面板以产生听觉声音。

如图1所示的这种现有技术的音频力传感器无法在小型/便携式扬声器中产生实质性的低音炮音符，这是因为在不重、昂贵和高功率的情况下它们无法产生所需的力。由于小型/便携式扬声器的尺寸，移动(音频扬声器的)声音面板以产生低频声音所需的压力的量相当大；因此产生这种低音炮音符的相应功率也很大。由于小型/便携式扬声器的电源通常为小型移动电源(例如电池)，因此可以使用的电量受到限制，从而限制了此类低音炮声音的产生。否则小型移动电源将被快速放电，需要显著增大移动电源的尺寸和数量(即，使用的电池大量增加)，这将显著增大设备的尺寸和重量和/或扬声器与非移动电源的连接(例如被插电)。对于小型/便携式扬声器及其使用而言，所有这些额外的重量和功耗通常是不可取的。

因此，需要抵消或部分抵消(音频扬声器的)声音面板上的较大压力，从而可以在小型/便携式扬声器中产生大量的低音炮音符。

发明内容

本发明涉及电声驱动器以及具有且使用该电声驱动器的扬声器，特别是具有磁性负弹簧(MNS)的驱动器(例如磁阻辅助驱动器(RAD)和永磁冠(PMC)驱动器)以及具有且使用该驱动器的扬声器。

通常，在一方面，本发明的特征在于一种包括密封外壳的扬声器。该扬声器还包括机械连接到该密封外壳的声音面板。该扬声器还包括可操作用来将电能转换成机械能的致动器。该致动器机械连接到声音面板。该扬声器还包括机械连接到声音面板的磁性负弹簧(MNS)。

本发明的一些实施方式可以包括以下特征中的一个或多个：

该致动器可以是音圈。

该音圈和MNS可以共享同一磁路。

该致动器可以是电磁体。

该致动器可以是压电换能器。

该扬声器还可以包括感测声音面板的位置的位置传感器。

该位置传感器可以是红外位置传感器。

该位置传感器可以是电容式位置传感器。

该位置传感器可以是电感式位置传感器。

该MNS可以包括至少一个静止磁体和可移动电枢。

该静止磁体可以是永磁体。

该静止磁体可以是环形永磁体。

该环形永磁体可以是径向极化磁体。

该静止磁体可以包括至少四个环形永磁体。

该静止磁体可以包括至少六个环形永磁体。

该静止磁体可以是电磁体。

该静止磁体可以是与永磁体结合的电磁体。

该可移动电枢可以包括铁磁元件。

该铁磁元件可以包括至少一个三角形钢元件。

该铁磁元件可以包括锯齿状钢环。

该铁磁元件可以包括层压钢。

该可移动电枢可以包括电枢永磁体。

当该电枢处于中心位置时，电枢永磁体的极性可以与静止磁体的极性相反。

对于该电枢的大多数位置，电枢永磁体的极性可以与静止磁体的极性相反。

该电枢永磁体可以是三角形的。

该电枢永磁体可以包括三角形元件的阵列。

该电枢永磁体可以是菱形的。

该电枢永磁体可以包括菱形元件的阵列。

该可移动电枢可以包括音圈。

该可移动电枢可以包括铁磁元件和音圈。

该可移动电枢可以包括电枢永磁体和音圈。

该电枢永磁体可以是三角形的。

该电枢永磁体可以是菱形的。

该扬声器还可以包括电枢定心机构。

该定心机构可以包括马达。

该定心机构可以包括齿轮马达。

该定心机构可以包括空气泵。

该扬声器还可以包括柔性机械电枢支撑件。

该柔性机械电枢支撑件可以与该电枢共享同一个轴。

该柔性机械电枢支撑件可以具有与该电枢不同的轴。

通常，在另一方面，本发明的特征在于一种包括声音面板的电声换能器。该电声换能器还包括可操作用来将电能转换成机械能的致动器。该致动器机械连接到声音面板。该电声换能器还包括机械连接到声音面板的磁性负弹簧(MNS)。

本发明的一些实施方式可以包括以下特征中的一个或多个：

该致动器可以是音圈。

该音圈和MNS可以共享同一磁路。

该致动器可以是电磁体。

该致动器可以是压电换能器。

该电声换能器还可以包括位置传感器。

该位置传感器可以是红外位置传感器。

该位置传感器可以是电容式位置传感器。

该位置传感器可以是电感式位置传感器。

该MNS可以包括静止磁体和可移动电枢。

该静止磁体可以是永磁体。

该静止磁体可以是环形永磁体。

该环形永磁体可以是径向极化磁体。

该静止磁体可以包括至少四个环形永磁体。

该静止磁体可以包括至少六个环形永磁体。

该静止磁体可以是电磁体。

该静止磁体可以是与永磁体结合的电磁体。

该可移动电枢可以包括铁磁元件。

该铁磁元件可以包括至少一个三角形钢元件。

该铁磁元件可以包括锯齿状钢环。

该铁磁元件可以包括层压钢。

该可移动电枢可以包括至少一个电枢永磁体。

当该电枢处于中心位置时，电枢永磁体的极性可以与静止磁体的极性相反。

对于该电枢的大多数位置，电枢永磁体的极性可以与静止磁体的极性相反。

该电枢永磁体可以是三角形的。

该电枢永磁体可以包括三角形元件的阵列。

该电枢永磁体可以是菱形的。

该电枢永磁体可以包括菱形元件的阵列。

该可移动电枢可以包括音圈。

该可移动电枢可以包括铁磁元件和音圈。

该可移动电枢可以包括电枢永磁体和音圈。

该电枢永磁体可以是三角形的。

该电枢永磁体可以是菱形的。

该电声换能器还可以包括电枢定心机构。

该定心机构可以包括马达。

该定心机构可以包括齿轮马达。

该定心机构可以包括空气泵。

该电声换能器还可以包括柔性机械电枢支撑件。

该柔性机械电枢支撑件可以与该电枢共享同一个轴。

该柔性机械电枢支撑件可以具有与该电枢不同的轴。

通常，在另一方面，本发明的特征在于一种系统，其包括如上所述的第一电声换能器和第二电声换能器。第一电声换能器相对于第二电声换能器成180度放置。

通常，在另一方面，本发明的特征在于一种包括声音面板的电声换能器。该电声换能器还包括可操作以将电能转换成机械能的致动器。该致动器机械连接到声音面板。该电声换能器还包括机械连接到声音面板的磁性负弹簧(MNS)。该电声换能器还包括定心机构。

通常，在另一方面，本发明的特征在于一种包括声音面板的电声换能器。该电声换能器还包括可操作以将电能转换成机械能的致动器。该致动器机械连接到声音面板。该电声换能器还包括机械连接到声音面板的磁性负弹簧(MNS)。该电声换能器还包括位置传感器。

通常，在另一方面，本发明的特征在于一种包括声音面板的电声换能器。该电声换能器还包括可操作以将电能转换成机械能的致动器。该致动器机械连接到声音面板。该电声换能器还包括机械连接到声音面板的磁性负弹簧(MNS)。该电声换能器还包括柔性机械电枢支撑件。

通常，在另一方面，本发明的特征在于一种制造电声换能器的方法。该方法包括将声音面板安装到密封外壳的步骤。该方法还包括将具有电枢的磁性负弹簧(MNS)安装到声音面板的步骤。该方法还包括这样的步骤，即将可操作以将电能转换成机械能的致动器安装到声音面板，从而使得由于密封外壳内的压力变化而作用在声音面板上的机械力至少部分地被来自MNS的磁力抵消。

本发明的一些实施方式可以包括以下特征中的一个或多个：

该方法中的电声换能器是如上所述的电声换能器。

通常，在另一方面，本发明的特征在于一种利用电声换能器的方法。该方法包括如上所述选择电声换能器的步骤。该电声换能器在密封室内。该方法还包括利用该电声换能器的步骤，从而使得由于密封外壳内的压力变化导致的机械力至少部分地被来自电声换能器的磁性负弹簧的磁力抵消。

本发明的一些实施方式可以包括以下特征中的一个或多个：

该方法还可以包括监控电能以自动调整电声换能器的电枢的平均位置以最小化致动器的电能消耗的步骤。

该致动器可以是音圈。

通常，在另一方面，本发明的特征在于包括静止磁路的磁性负弹簧(MNS)。该MNS还包括可移动电枢。该MNS还包括位置传感器。该MNS还包括安装到该可移动电枢的音圈。该MNS还包括安装到该可移动电枢的永磁体。

附图说明

图1是现有技术音频力传感器的剖视图的示意。

图2A是利用线圈支架的电声驱动器的剖视图的示意，该线圈支架具有利用高磁导率锯齿圆柱壳的磁性负弹簧(MNS)。

图2B至图2C分别是聚焦于图2A中的线圈支架的侧视图和透视图。

图3A是利用线圈支架的电声驱动器的可替换实施例的剖视图的示意，该线圈支架具有利用一对高磁导率锯齿圆柱壳的磁性负弹簧。

图3B至图3C分别是聚焦于图3A中的线圈支架的侧视图和透视图。

图4A是利用线圈支架的电声驱动器的可替换实施例的剖视图的示意，该线圈支架具有利用高磁导率锯齿圆柱壳的磁性负弹簧，该高磁导率锯齿圆柱壳与线圈支架的线圈同心。

图4B至图4C分别是聚焦于图4A中的线圈支架的高磁导率锯齿圆柱壳部分的侧视图和透视图。

图4D至图4E分别是聚焦于图4A中的线圈支架的线圈部分的侧视图和透视图。

图5A是利用线圈支架的电声驱动器的可替换实施例的剖视图的示意，该线圈支架具有可以在相反方向上移动声音面板的磁性负弹簧。

图5B至图5C分别是聚焦于图5A中的线圈支架的磁性负弹簧部分的侧视图和透视图。

图6是利用图5A所示的电声驱动器的扬声器的密封气室的剖视图的示意。

图7A是利用线圈支架的电声驱动器的另一可替换实施例的剖视图的示意，该线圈支架具有可以在相反方向上移动声音面板的磁性负弹簧。

图7B是图7A所示的电声驱动器的示意的剖面图(相对于左侧部成90度)。

图8是本发明的磁性负弹簧原型的照片。

图9A是利用磁路的电声驱动器的剖面透视图，该磁路具有包括永磁体冠的磁性负弹簧(MNS)。

图9B是图9A所示的线圈支架的透视图。

图10是示出力相对于位移(对于一个方向上的电枢运动)的曲线图。

图11是具有MNS的扬声器驱动器组件的示意图，该MNS具有排斥性和吸引性MNS特征。

图12是完全浸入排斥磁场中的永磁体冠的图示。

图13是本发明的MNS原型的照片。

图14A至14B是排斥性MNS原型的照片。

图15A至15B是分别具有上挂和下挂音圈的排斥性/吸引性MNS的实施例的剖面图的示意。

图16是具有下挂音圈的排斥性/吸引性MNS的另一实施例的剖面图的示意。

图17是示出图16所示的排斥性/吸引性MNS实施例的推力的力相对于位移(对于一个方向上的电枢运动)的曲线图(由于每个可移动的永磁体阵列导致的总量和分量)。

图18A至图18C是具有在不同位置(分别为居中、局部在负z方向、居中和完全在负z方向)的音圈电枢的排斥性/吸引性MNS的另一实施例的剖面图的示意。

图18D是示出图18A至图18C所示的排斥性/吸引性MNS的某些部分(主要是永磁体)的透视图的图示。

图19A是具有在居中位置的音圈电枢的排斥性/吸引性MNS的另一实施例的剖面图的示意。

图19B是图19A中的线圈支架的俯视图。

图20是密封柜的示意图，其示出了其中可以利用本发明的MNS实施例的扬声器。

图21是示出力相对于位移的曲线图，反映了可以如何使用图18A至图18C和图19A至图19B的MNS以几乎抵消声音面板上的力。

图22至图23是本发明的MNS驱动器的图示。

具体实施方式

本发明涉及电声驱动器以及具有且使用该电声驱动器的扬声器，特别是具有磁性负弹簧(MNS)的驱动器(例如磁阻辅助驱动器(RAD)和永磁冠(PMC)驱动器)以及具有且使用该驱动器的扬声器。已经发现，通过使用磁性负弹簧作为磁阻辅助驱动器或永磁冠驱动器的一部分，可以抵消或部分抵消作用在(音频扬声器的)声音面板上的较大压力。

磁阻辅助驱动器(RAD)

图2A是具有线圈支架203的电声驱动器200的示意图，该线圈支架203具有磁性负弹簧可移动元件206(高磁导率锯齿圆柱壳)。如本文中所使用的，术语“磁阻辅助驱动器”(或“RAD”)是指利用与一个或多个音圈相结合的磁性负弹簧的电声驱动器。线圈支架203在图2B至图2C中更详细地示出。线圈支架203由非磁性/非导电材料205a-205b(例如玻璃纤维)制成，其机械地支撑磁线线圈204a-204b(例如铜磁线线圈)和磁性负弹簧可移动元件206。磁性负弹簧可移动元件206为高磁导率圆柱壳(例如由磁钢制成)，其具有平行于电声驱动器200的中心线的若干个三角形突起。

虽然未在图2A中示出，但非磁性/非导电材料205a-205b的一侧被附接到声音面板，该声音面板在移动时产生声音。在图2A的朝向上(由其中的x-z轴所示，y方向与其垂直)，由于线圈支架203相对于具有永磁环202a-202d的元件201a-201b(由铁/钢制成)的滑动运动，声音面板在z方向上向外和向内移动。例如本领域已知的并且类似于在音频力传感器100中使用的，这样的运动是由于由此产生的磁场而导致的。

当声音面板处于其中性/松弛位置时，没有力作用在声音面板上。当(连接到非磁性/非导电材料205b的)声音面板在正z方向上移动时，这会在音频扬声器(未示出)的密封室中产生部分真空。在这种情况下，对于具有现有技术的音频力传感器100的音频扬声器，其声音面板致动器(音圈、电磁体等)必须克服这种巨大的力并为此消耗大量电功率。然而，在电声驱动器200(其是一种磁阻辅助驱动器，因为其利用了磁性负弹簧)中，这个力可以使用进入径向磁场的磁性负弹簧移动元件206的钢三角部件的可变磁阻力部分或全部抵消。该可变磁阻力大致地与浸入磁场的三角形的宽度成比例。因此，该力随着钢三角形在z方向上的移动而增加(正如随着面板在正z方向上移动，在负z方向上面板上的压力增加)。当面板压力朝向负z方向时，可变磁阻力朝向正z方向，因此可以使这些力抵消。

当声音面板、线圈支架203和磁性负弹簧可移动元件206在负z方向上移动时，面板压力将朝向正z方向并且磁力将朝向负z方向，因此，这些力类似地将部分或全部抵消。

对于上述情况，磁性负弹簧基于磁性负弹簧移动元件206与环形软铁元件201a-201b和永磁环202a-202d的相互作用来操作。由于永磁环202a-202d、环形软铁元件201a-201b和磁性负弹簧可移动元件206的结构消耗大约为零的电功率来抵消巨大的压力，因此电声驱动器200将比现有技术的电声致动器消耗更少的功率(少10到100倍)来产生给定的声压级。

主动力致动器(通常是音圈)也可以小得多(更便宜)，因为它需要产生低得多的力。尽管磁性负弹簧可移动元件206和磁体结构在图2A至图2C中示出为圆形，但它们也可以是平的/平板状的。

图2A示出了具有磁性负弹簧可移动元件206和作为用于驱动声音面板的致动器的一体式音圈(磁线线圈204a-204b)的线圈支架203。在一些实施例中，使音圈具有其自己的磁路从而可以优化每个磁路可能是有利的。磁性负弹簧可移动元件206和音圈(或其他致动器，如电磁致动器)可以(并且通常应当)被安装在连接到声音面板的同一可移动结构上。

在该系统中不需要杠杆来放大机械运动，并且该系统可在没有位置传感器反馈的情况下操作(当语音被用作致动器时)。在图2的电声驱动器200中可以看到，其被设计为在非导电圆柱壳在负z方向或正z方向上移动可测量距离(运动的最大幅度)的任何时刻，总是有相同量的音圈浸入磁场。这种设计将有助于在所有位置处对给定电流保持音圈力大致恒定(由于音圈力始终与电流成线性关系，因此会导致不失真的音乐)。

在一些实施例中，与永磁体202a-202d相互作用的磁性负弹簧可移动元件206(其有时被称为高磁导率锯齿圆柱壳)的可变磁阻力将几乎抵消空气压力(由于声音面板的运动而改变了密封室的有效空气体积)和机械弹簧力(由于声音面板柔性支撑件的机械刚度)。如果该净力(压力加上弹簧力减去磁力)与z方向上的位移成线性关系，则系统应当能够以“开环”方式操作(不需要位置传感器或主动位置反馈)。

共享磁路(音圈和磁性负弹簧可移动元件206)可以减小尺寸、重量和成本。磁性负弹簧可移动元件206结构的增量成本较低(因为音圈需要磁路)，但它可以显著降低音圈中的功率损耗，并且还可以降低音圈的尺寸/成本(通过降低音圈必须产生的净力)。

电声驱动器200的设计使得音圈力取决于磁性负弹簧可移动元件的位置。然而，可以使得磁性负弹簧可移动元件的齿的形状补偿这种影响，从而在+/-预设距离的范围内的所有位置处保持音圈电流和语音电流力之间的线性关系。磁性负弹簧可移动元件钢齿的形状可以被塑造为针对每个扬声器设计创建理想的力分布。

补偿这种磁场变化效应的另一种方式是降低音圈外侧边缘上的音圈绕组的密度(因为这些线圈元件将经受比线圈的中心部分更高的磁场)。

图3A是利用具有一对磁性负弹簧元件306a-306b的线圈支架303的电声驱动器300的可替换实施例的示意图。线圈支架303在图3B至图3C中更详细地示出。

如图3A所示，只有一个磁性气隙、一对磁性负弹簧可移动元件306a-306b和一个音圈(利用磁线线圈304)。线圈支架303还包括非磁性/非导电材料305(例如玻璃纤维)，其可以附接到声音面板(未示出)以及将磁线线圈304与一对磁性负弹簧可移动元件306a-306b隔开。通过这种布置，整个磁线线圈304在所有位置处都浸入磁场中(通过永磁体302a-302b)，这可以提高效率并保持电流和力之间的线性关系(这导致低失真音乐)。

音圈需要整个磁路(永磁体302a-302b加上元件301(铁/钢))；MNS可移动元件306a-306b使用这种现有的设施，因此增加非常少的成本/重量/尺寸。在电声驱动器300中使用两个分开的磁性负弹簧可移动元件306a-306b，并且这种设计将环形磁体对的数量从两个(在电声驱动器200中)减少到一个(在电声驱动器300中)。

添加一对磁性负弹簧可移动元件306a-306b使最大力增加一个数量级，而不会增加(音圈或其他主动驱动器的)电功率消耗，或者以低两个数量级的输入功率传递相同的力(或较高的力和较低的输入功率的某种组合)。这些属性对于电池供电的(便携式)扬声器来说是非常理想的。

电声驱动器300还可以包括一个或多个力调节线圈(例如线圈307a-307b)。力调节线圈可以增加或减少气隙中的磁场，从而增加或减少单位电流的音圈力和单位位移的可变磁阻力(由于可变磁阻力与气隙中的磁场的平方成比例)。

由于压力取决于扬声器气室的密封体积和声音面板支撑件的机械刚度(这些力中的每一个通常都与音圈力和可变磁阻力相反)，因此可能需要调整每单位电流的音圈力以及每单位位移的可变磁阻力以最小化由于制造公差问题导致的总电气输入功率(其等于音圈功率加上调节线圈功率)。自检可用于优化每个扬声器的调节线圈电流设置。

调节线圈的另一个好处是其可以确保可变磁阻力永远不会超过相反的力(机械刚度加上压力)，在该种情况下，可移动元件可能会“卡”在(负z方向和正z方向上的)一个极端位置或另一个极端位置。

图3A进一步示出了RAD可以省去永磁体的一种方式，如果假设N永磁体和S永磁体(分别为永磁体302a和302b)被磁钢代替(这将降低材料成本但会增加所需的电输入功率)。另一种选择是可以用磁钢代替N磁环或S磁环(这将降低成本，代价是牺牲性能)。

图4A是利用线圈支架403的电声驱动器400的示意图，该线圈支架具有利用高磁导率锯齿圆柱壳的磁性负弹簧，该高磁导率锯齿圆柱壳与线圈支架的磁线线圈404a-404b同心。线圈支架403的高磁导率锯齿圆柱壳部分在图4B至图4C中更详细地示出，线圈支架403的音圈部分在图4D至图4E中更详细地示出。高磁导率锯齿圆柱壳在永磁体402a-402d附近具有磁性负弹簧可移动元件406a-406c，并且还可以包括一个或多个力调节线圈(例如线圈407a-407b)。永磁体402e-402h在金属线线圈404a-404b附近。线圈支架403还包括非磁性/非导电材料，例如非磁性/非导电材料405a-405c。电声驱动器400还包括元件401a-401d(铁/钢)。

一个或多个声音面板(未示出)可以被连接到移动线圈支架403。电声驱动器400的布置使由MNS在给定半径(相对于电声驱动器300)产生的力的量大致翻倍，因为在正/负z方向上的运动接合了两个磁性负弹簧可移动元件而不是一个。

电声驱动器400的磁线线圈404a-404b在给定半径也产生多于两倍的力(相对于电声驱动器300)，因为在所有位置处总是有线圈的两个全磁体宽度接合。音圈的金属线线圈404a以与金属线线圈404b相反的方向缠绕，因为音圈的前半部浸入具有相对于音圈的后半部相反的极性的磁场中。

可选地，驱动器400可以包括位置和/或速度传感器412(例如光学或电感式位置传感器)，其可以用于向控制电路提供位置反馈，该控制电路调节力调节线圈407a-407b中的电流。在极端情况下，控制电路(使用来自位置传感器412的位置反馈)可以实时(每毫秒左右)调节力调节线圈407a-407b中的电流，以最小化总输入功率(等于音圈功率加上调节线圈功率)，并确保可移动线圈支架403永远不会被磁性地卡在任一极端位置(图4A中的极端位置在正z方向或负z方向上)。

如上文所讨论的，在图4A中，磁性负弹簧可移动元件406a-406c(也可以称为“冠部”406a-406c)可以由钢(或其他铁磁材料)制成，并且静止永磁体402a-402d(也可以称为“磁极”402a-402d)是径向极化永磁体。在可替换实施例中，冠部406a-406c可以是钢(或其他铁磁材料)，并且磁极402a-402d可以是钢(或其他铁磁材料)。在另一个可替换实施例中，磁极402a-402d是径向极化永磁体，冠部406b由钢(或其他铁磁材料)制成，并且冠部406a和406c由径向极化永磁材料制成。在又一个实施例中，磁极402a-402d是钢(或其他铁磁材料)，并且冠部406a-406c由径向极化永磁材料制成。

图5A是利用线圈支架503a-503b的电声驱动器500的又一可替换实施例的示意图，该线圈支架具有可以在相反方向上移动声音面板的磁性负弹簧。图5B至图5C分别是聚焦于线圈支架503a的一部分(示出了磁性负弹簧可移动元件506a-506b)的侧视图和透视图。图6是在扬声器600的密封气室中使用的电声驱动器500的示意图，其中电声驱动器500可以在相反方向上移动面板610a-610b。即，电声驱动器500可以在正z方向上移动面板610b时，在负z方向上移动面板610a，反之亦然。与在Pinkerton'971申请和Pinkerton'770申请中公开和教导的实施例一样，如果它们以相同幅度在相反方向上如此移动，则施加到面板610a-610b的整个电声扬声器600的任何惯性力是相等的但是方向相反，因此将相互抵消，使得整个电声扬声器600的惯性力大约为零。这种力抵消具有重要的好处，包括防止扬声器在使用期间移动(通过减少振动)以及最小化语音控制操作的板上麦克风失真。

在电声驱动器500中，线圈支架503a具有磁性负弹簧可移动元件506a-506b(靠近永磁体502a-502b)、磁线线圈504a(靠近永磁体502e-502f)和非磁性/非导电材料505。线圈支架503b具有磁性负弹簧可移动元件506c-506d(靠近永磁体502c-502d)、磁线线圈504b(靠近永磁体502g-502h)和非磁性/非导电材料505。元件501a-501d被固定(线圈支架503a-503b能够相对于这些固定元件移动)。永磁体502a-502h被固定到元件501a-501d。

对于每个磁路，磁性负弹簧和音圈的磁路是分开的，使得磁性负弹簧可移动元件的位置不会改变音圈磁路的磁场(从而导致音圈力取决于磁性负弹簧可移动元件的位置)。

在利用电声驱动器500的设备中(相对于利用电声驱动器200或电声驱动器300的装置)，磁钢减少，因为前/后RAD换能器可以共享磁路的一部分。

此外，相对于电声驱动器200和电声驱动器300，利用电声驱动器500的设备将音圈功能和MNS功能分离，因此可以使用仅宽x的磁环(x＝声音面板的机械运动幅度，并且2x是峰到峰运动)，相比之下，使用电声驱动器300的设备需要宽2.5x的磁体(这导致背铁2.5x更厚/更重)。这种方法减少了产生给定力所需的钢和永磁材料的量。此外，音圈的最佳气隙可能与MNS的最佳气隙不同，因此允许分开的磁路各自被优化。

图7A至图7B示出了电声驱动器700，其是磁性负弹簧的可替换实施例。电声驱动器700具有可移动层叠结构706、轴705(非磁性/非导电材料)、静止层叠结构704a-704d、永磁体702a-702d和力调节线圈707a-707h。电声驱动器700可用于在相反方向上移动声音面板。

轴705是可移动轴(其连接到声音面板和主动力驱动器(诸如音圈)两者)，其具有附接至它的可移动层叠结构706(这是磁性负弹簧可移动元件)。当可移动层叠结构706在负/正z方向上移动时，其被吸引到附近的静止层叠结构(例如静止层叠结构704a和704c，从图7A所示的位置在负z方向上移动)。由于静止层叠结构704a-704d中的每一个都具有角度(如图所示)，因此随着可移动层叠结构706在z方向上移动，力将增加(以补偿扬声器的增加的压力和机械弹簧力)。由永磁体702a-702d产生的磁场可以使用力调节线圈707a-707d进行调节。

如果不使用永磁体702a-702d，则静止层叠结构704a-704d中的每一个不需要具有角度，而可以如线711a-711d所示是直的。在这种情况下，将需要位置传感器和主动反馈来产生所需的力分布。

图7B是相对于图7A的左侧部分成90度的视图。在该视图中，z方向在页面内外(垂直于图7B所示的x方向和y方向)。

层叠用于减少涡流损耗，但不是绝对必要的(作为替换可以使用实心磁钢)。

电声驱动器700使用可变磁阻力来创建“磁性负弹簧”，其部分地或完全地抵消扬声器电声换能器必须克服的力(主要是密封气室压力和电声换能器机械支撑件的弹簧力)。可变磁阻力可以是完全被动的(使用永磁体)、完全主动的(使用主动反馈和励磁线圈)或主动和被动的组合。完全地或部分地抵消音频扬声器的压力/弹簧力允许主动力传感器(例如音圈)更小、更轻且成本更低，同时使用比现有技术设备少得多的电功率。

图8是本发明的磁性负弹簧原型的照片。图8示出了一个扁平MNS，其被测试以测量其作为钢齿位置的函数的力。钢齿构件的总宽度为76mm，并且最大测量力为80N(钢齿构件的每mm长度约为1N)。该力对于设备的尺寸来说相当大，不需要输入电力。

永磁冠(PMC)驱动器

再次参考图4A，如以上所讨论的，永磁冠(“PMC”)可以用在驱动器400中(而不是由钢制成的冠部)。在一些实施例中，冠部406a-406c是径向极化永磁体(外部冠部402a和402c具有与中间冠部402b相反的极性)，并且磁极402a-402d是径向极化永磁体。此外，例如。在一些其他实施例中，冠部406a-406c可以是径向极化永磁体(外部冠部402a和402c具有与中间冠部402b相反的极性)，并且磁极402a-402d可以是钢(或其他铁磁材料)。

在PMC驱动器中，当励磁线圈407a-407b(其中的一个或另一个或两者)在一个方向上通电时，电声驱动器400的圆柱壳在一个轴向方向上移动；当该励磁电流反转时，轴向力的方向反转(即使当冠部406a-406c处于其中心位置时)。由于即使在中心位置由励磁线圈产生的力也是双向的，因此这些实施例不需要金属线线圈404a-404b(这具有诸如降低成本、重量等的好处)。因此，在这些PMC实施例中，金属线线圈404a-404b是可选的。此外，在这些PMC驱动器实施例中，产生给定的力所需要的永磁材料较少(这具有诸如降低成本的好处)。

另外，由于永磁体具有与空气大致相同的磁导率，因此可以减小励磁线圈磁路的总有效气隙(这具有好处，例如降低励磁线圈的功率要求)。更进一步，励磁线圈功率的每瓦所产生的轴向力的量显著高于音圈的力/瓦特比(提高效率和电池运行时间)。由于在这些PMC驱动器中存在一些固有的力不稳定性(因为电声驱动器400的圆柱形壳将自行向右或向左移动)，因此位置和/或速度传感器412应当与反馈控制回路结合使用来稳定和操作驱动器400。

由于PMC中的冠部由永磁体制成(并且永磁体具有类似于上述空气的磁导率)，因此PMC驱动器不是磁阻力驱动器，而是磁性负弹簧。当使用励磁线圈时，这些甚至可以称为“半主动磁性弹簧”。此外，在与音圈404a-404b一起使用时，永磁冠可以用作被动MNS，即使在使用励磁线圈时该设备不需要音圈。

图9A是利用磁路的电声驱动器900的剖面透视图，该磁路具有包括永磁冠906a-906c的磁性负弹簧(MNS)。图9B是冠部组件901(包括永磁冠906a-906c和圆柱形壳910)的透视图。

如图9A所示，电声驱动器900中没有音圈，但是有两个励磁线圈，外励磁线圈907a和内励磁线圈907b。(或者，可以使用一个励磁线圈；然而，通常，两个励磁线圈更有效)。励磁线圈907a-907b被包裹在铁磁材料中，例如钢或铁氧体。线圈和铁磁材料形成具有左极片和右极片的电磁体。存在三个永磁冠(PMC)结构(外冠部906a、中间冠部906b和外冠部906c)，它们机械地附接到圆柱形壳910(例如由碳纤维环氧树脂制成的壳)，该壳附接到声音面板(图9A-9B中未示出)。

每个冠部906a-906c的永磁场指向中心轴线或指向离开中心轴线。如果外冠部906a和906c的磁场指向中心轴线，则中间冠部906b的磁场指向离开中心轴线。换一种说法，如果外冠部906a和906c在其外径上具有南磁极，则中间冠部906b在其外径上具有北磁极。

当励磁线圈907a-907b中的电流在图中顺时针流动时(在图9A-9B的朝向上)，其在左上极片上产生北极，在右上极片上产生南极。假定上述PMC磁极在图9A至图9B所示的朝向上，那么PMC圆柱体结构或“电枢”将在正z轴方向上移动(由于在其OD上具有南极的冠部906a被吸引到左上极片的北极等)。如果励磁线圈电流反转(电流在图9A-9B的朝向上逆时针流动)，则电枢将移动到负z轴方向。这些结果显示在图10所示的力vs电流的曲线图中(其仅示出了电枢在一个方向上的运动，即，正z轴方向)。

一旦电枢(具有冠部906a-906c的圆柱形壳910)在(正或负)z轴方向上移动即使0.1mm，也将存在将电枢进一步沿着z轴方向移动的被动磁性负弹簧(MNS)力(不需要励磁线圈电流)。这种用于在正z轴方向上移动的被动负弹簧力以图10的线1002示出。(线1002针对励磁线圈中的零电流)。

励磁线圈中一个方向上的电流(-1,360安培)产生由线1003所示的力，而相反方向上的电流(+1,360安培)产生由线1001所示的力。励磁线圈电流可以产生双向力，并且可以克服任何电枢位置处的被动MNS力(电枢不能被“卡”在一个极端位置或另一个极端位置)。曲线1004-1005(分别针对136安培和-136安培的励磁电流)示出了由励磁线圈电流引起的力如何减小或增加电枢上的总的力。

如前所述，被动MNS力用于克服作用在声音面板上的空气压力和作用在电枢上的任何机械弹簧力。励磁线圈电流将响应于来自位置/速度传感器的位置/速度反馈以及来自音乐文件中的音频信息而产生，以确保声音面板始终处于正确的位置和正确的速度(始终产生正确的声音)。

排斥性/吸引性MNS

磁性负弹簧(MNS)产生显著的力以抵消在较大的电枢/锥体位移期间主要由气压变化引起的力。在播放音乐时，电枢可以在复位触点之间的空间内自由移动。图11示出了具有MNS的扬声器驱动器组件1100，该MNS将在下面更详细地描述(并且结合本发明的排斥性和吸引性MNS特征，即，排斥性/吸引性MNS)。当用户按下扬声器上的关闭按钮(或其由于不使用而自动关闭)时，齿轮马达将转动驱动螺钉以使复位触点(在正z方向或负z方向上)向右或向左移动，使得安装在电枢上的盘(位于复位触点之间)可以“着陆”在其中一个复位触点上。

例如，如果复位触点向左移动，则电枢盘将落在右复位触点上。当扬声器打开时，复位触点返回到它们的中心位置，以允许电枢/椎体进行全方位的运动。在不受控制的关闭的情况下，电枢将显著地向右或向左漂移(略大于电枢运动的全幅度)并落在其中一个复位触点上。

由于MNS可能固有地不稳定(在没有主动控制的情况下，电枢将在z方向上漂移)，因此需要机械止动件来保持电枢(音圈和可移动磁性元件阵列支架)在扬声器关闭时大致居中(否则电枢将漂移到极端位置并且很难单独使音圈居中)。当扬声器被重置(例如通过重启电源)时，定心机构将电枢移回中心位置，音圈将接管定心功能，然后复位触点将返回其中心位置。这种复位操作需要定心机构产生MNS的全部力加上与移动锥体相关的背压(高达几百牛顿，其是典型音圈的最大力的10倍以上)。齿轮马达可用于产生定心机构所需的较大的力。或者，可以使用小气泵在密封外壳内产生正压或负压，这将在声音面板上产生较大的向外或向内的力。

为了抵消由可移动磁性元件阵列引起的任何不稳定径向力，可以使用稳定器/扶正器。在一些实施例中，稳定器/定心机构是刚性衬套支撑；然而，其有时会产生摩擦和可听到的噪音。在其他实施例中，永磁冠(例如图9B中所示的永磁冠906b)完全浸入排斥性磁场中(例如图12中所示)。这种布置在本文中称为“排斥性MNS”。永磁冠也可以浸入既是排斥性又是吸引性的磁场中，这种布置在本文中称为“排斥性/吸引性MNS”。

图11示出了具有MNS的扬声器驱动器组件1100，该MNS具有排斥性和吸引性MNS特征(即，排斥性/吸引性MNS)。扬声器驱动器可用作扩音器中的组件。扬声器驱动器组件1100包括外环1101、反射表面1102、光传感器1103、马达1104(例如12GFN20E马达)、PCA 1105(用于马达和光传感器)、驱动螺钉1106和复位触点1107。

常规的“蜘蛛”支撑件(代替衬套)，例如图11所示的蜘蛛件1108，也可以与这种稳定/扶正器设计很好地配合使用。传统的扬声器驱动器通常仅使用一个蜘蛛件，但对于稳定/居中的本发明实施例，其通常需要两个或更多蜘蛛件以确保电枢不因由安装在可移动电枢上的永磁元件所产生的小的但非零的径向力而径向地移动太多。齿轮马达1104可以具有用于位置反馈的编码器并且可以要求将一些电子元件安装在圆形电路板上。电枢位置“光电传感器”1103可以与一些相关的电子组件一起安装到电路板上。

将两个传统驱动器引线与两个输入电源引线(未示出)一起布线到电路板(未示出)附近的端子将使本发明的扬声器驱动器组件像传统驱动器一样操作(但使用相同的功率则具有大约10倍的力能力，或者，在相同的力分布下消耗大约少10倍的功率)。

排斥性/吸引性MNS

如图12所示，在排斥性MNS中，当PMC 1203径向移动时，磁力倾向于将其推离中心线1201。当PMC 1203在任一方向轴向移动时，其会经历随轴向移动距离(到一个点)的移动而增加的排斥力。长音圈(VC)1202可以放置在PMC 1203旁边的可移动电枢上，在其自身的磁场中，如图12所示。

图13是示出嵌入铝制可移动电枢中的永磁体(PM)圆盘阵列的照片。在本实施例中，两个静止PM矩形之一位于圆盘阵列上方(使得当静止PM的北磁极朝下时，永磁体圆盘的北极朝上，从而它们相互排斥)。

与由可移动钢元件制成的可比较MNS相比，由排斥性MNS产生的排斥力是给定位移(或刚度)的力的两倍以上。由排斥性MNS产生的排斥力也高于由同样使用永磁电枢但在吸引朝向上的吸引性MNS产生的吸引力。排斥性MNS刚度高于吸引性MNS刚度的一个原因是使用排斥设备可以得到静止元件与移动元件之间的更小的气隙(两个PM元件之间的磁力随着两个PM元件之间的距离的减小而增加)(当气隙不是相对较大时，吸引性电枢将弯曲并接触该静止PM部件)。

更高的刚度(导致在扬声器中产生更高的声压级)和改进的径向稳定性(能够实现简单、低成本和安静的电枢支撑件)的组合使得排斥性MNS能够具有上述有利的特性。

图14A至图14B示出了排斥性MNS的另一个实施例，其与现有技术扬声器中使用的相同尺寸的常规低音炮相比，能够产生大约十倍的声压，并且这样做的同时消耗更少的电功率。通过这种设计，不需要使用线性轴承(避免钢冠不希望的高的径向力)，而使用一个或两个常规的“蜘蛛”支撑件1401进行操作。

在图14A至图14B的实施例中，使用了几十个市售的大致冠形的永磁圆盘并且其工作良好。因此，使用这种类型的标准磁铁有一些优点(经济性和其他方面)。或者，可以制作定制永磁体以实现更好的性能。

在又一个实施例中，可以在吸引性/排斥性MNS设备中使用排斥性和吸引性磁力的组合，其在图15A至图15B中示出。三个静止磁极可以与安装在线圈支架1507上的两个可移动永磁体元件阵列(其中一个可移动永磁体阵列具有北极1501a和南极1501b，另一个可移动永磁体阵列具有北极1502a和南极1502b)一起使用。静止磁极包括具有北极1503a和南极1503b的永磁体，其中金属磁极1504-1506(例如钢)设置为使得金属磁极1504和1506是静止的北极并且金属磁极1505是静止的南极。(在其他实施例中，北/南磁朝向可以反转)。计算机模型和测试结果已经表明，这三个磁极实施例可以使用相对少量的永磁材料(这是扬声器设备中最高成本线的产品之一)产生高的轴向力(并因此产生高的声压级)。

实施例可以具有长(over-hung)音圈(例如图15A中所示的音圈1515)或短(under-hung)音圈(例如图15B中所示的音圈1516)，并且可以包括用于向控制电路提供位置或速度反馈的传感器1516(例如位置和/或速度传感器，其可以是光学或电感式传感器)。

对于图15A至图15B所示朝向(其中永磁体具有北极1501a、1502a和1503a以及南极1501b、1502b和1503b，其中金属极1504和1506是北极，金属极1505是南极)，可移动PMC北极/南极面向静止的北极/南极，因此处于排斥模式。磁通量从每个静止的北极1503a轴向地移出，径向地流过每个外部金属极(金属极1504和1506)，跨越穿过PMC的气隙，向着中心极(金属极1505)轴向地移动，跨过音圈(图15A至图15B中分别为音圈1506和1516)径向地向内流，然后向着南极1503b轴向移动以完成磁路。

当线圈支架1507居中时，所有轴向磁力抵消。当线圈支架1507在负z方向上移动时，两个PM冠将被金属极向负z方向排斥，并且PMC极1502a将被金属极1505吸引。当线圈支架1507在正z方向上移动时，两个PM冠将被钢极向正z方向排斥，并且PMC极1501a将被金属极1505吸引。否则，排斥性/吸引性MNS的操作类似于上面针对MNS实施例所描述的。具有图15A至图15B所示设计的实施例表现出如上所述的力分布，其中峰值超过200N。

图16示出了排斥性/吸引性MNS(具有短音圈1616)的实施例。该实施例具有可移动永磁体和静止永磁体，该可移动永磁体具有北极1601a和1602a以及南极1601b和1602b，静止永磁体具有北极1603a、1604a、1605a和1606a以及南极1603b、1604b、1605b和1606b。(同样，这种极性朝向可以反转)。图16的这种布置展示了永磁体排斥和吸引的组合(如图17所示)，其显著增加了峰值磁力以及电枢运动的幅度(这两者都有助于声压级的增加)。

图17示出了作用在排斥性/吸引性MNS电枢上的力。当电枢沿在负z方向上移动时，可移动永磁体的北极1601a被从其正下方的静止永磁体的北极1603a排斥开。该力在图17中的曲线1701中示出。类似地，另一个可移动永磁体的北极1602a也被其正下方的静止永磁体的北极1606a排斥，并且还被中心永磁体的南极1605b吸引。代替于仅仅是推动/排斥的磁力，该设备还具有拉动/吸引的磁力。该力在图17中的曲线1702中示出。总的力(排斥和吸引)在图17中的曲线1703中示出。图17揭示了吸引力对总磁力的显著贡献。

稳定/居中

如上所述，MNS可展示出径向不稳定性。已经发现，当使用钢/铁磁极(如图15B中所示)时，MNS可能径向不稳定，因为当线圈支架1507未完全居中时，移动永磁体(位于包括移动音圈1516的线圈支架1507上)可能在径向上被吸引向该钢。还发现，即使在使用永磁极(如图16中的1603a)时，当线圈支架磁体移动到PM极之外时也会产生径向不稳定性。当例如在图16中磁极1601a/1601b在负z方向上而不是在正z方向上移动时，由于相反磁极1603a与1604b之间的一些磁场抵消，这种效果可能会更糟。

在一些实施例中，图11中所示的电枢1102可展示出不稳定性，该不稳定性可以通过对于蜘蛛件1108使用更硬的材料来解决。即使不使用蜘蛛件1108，也可以替代地(或另外)实现径向稳定性。

图18A至图18C示出了具有音圈1815a-1815b的排斥性/吸引性MNS的另一个实施例，并且其可以包括用于向控制电路提供位置或速度反馈的传感器1816(例如位置和/或速度传感器，其可以是光学或电感式传感器)。本实施例具有静止磁极(例如静止磁北极1801a-1804a和静止磁南极1801b-1804b)，它们由永磁体(代替钢)制成，因此电枢上的相反极化的移动磁体(例如移动磁北极1805a-1806a和移动磁南极1805b-1806b)被静止磁极(其提供径向稳定性)径向排斥。如图18A至图18C所示，静止磁极是永磁环(PMR)，运动磁极是永磁三角形(PMT)。(PMR可以是弧形段的组件，当组合时，创建环形磁体结构)。图18D是示出本实施例的PMR和PMT的布置的透视图。

图18A至图18C所示的MNS的另一个有利特征是电枢上的移动永磁元件(例如移动磁北极1805a-1806a和移动磁南极1805b-1806b)不会离开“打开”的永磁极边缘，因此永磁极与电枢永磁体之间总是存在排斥力，其使电枢径向稳定(这可以看作是基于永磁体的径向被动磁轴承)。

如图18A至图18C所示(其示出从中心位置到全负z方向的运动)，始终有音圈的一个极宽浸入磁场中(这使得每单位电流输入的力在所有电枢位置处都恒定)。无论电枢在负z方向上时的位置如何(如图18A至图18C所示)，电枢永磁体的负z方向阵列(即，移动磁北极1805a和移动磁南极1805b)始终浸入在负z方向静止永磁体(静止磁北极1801a和1803a以及静止磁南极1801b和1803b)的相反指向的(排斥性)磁场中。这提供了径向稳定力，其帮助将电枢在内外永磁环之间的气隙内保持居中。

当电枢处于图18A所示的位置(居中位置)时，PMT(移动磁北极1806a和移动磁南极1806b)的正z方向阵列浸入正z方向PMR(静止磁北极1802a和1804a以及静止磁南极1802b和1804b)的相反指向的磁场中，因此是径向稳定的。

当电枢处于图18B所示的位置(部分负z方向)时，在该位置处PMT(移动磁北极1806a和移动磁南极1806b)的正z方向阵列部分地浸入正z方向PMR(静止磁北极1802a和1804a以及静止磁南极1802b和1804b)的相反指向的磁场中，并且仍然径向稳定。由于PMT(移动磁北极1806a和移动磁南极1806b)的正z方向阵列被正z方向PMR(静止磁北极1802a和1804a以及静止磁南极1802b和1804b)排斥并被负z方向PMR(静止磁北极1801a和1803a以及静止磁南极1801b和1803b)的边缘磁场吸引，该位置中的轴向/期望力很高。

当电枢处于图18C所示的位置(完全负z方向)时，PMT(移动磁北极1806a和移动磁南极1806b)的正z方向阵列不浸入正z方向PMR(静止磁北极1802a和1804a以及静止磁南极1802b和1804b)的相反指向的磁场中，但是部分地浸入负z方向PMR(静止磁北极1801a和1803a以及静止磁南极1801b和1803b)的边缘磁场并且该位置仍然提供一定的径向稳定性。在图18C所示位置中的轴向/期望力也很高，因为PMT的正z方向阵列被正z方向PMR边缘磁场排斥并被负z方向PMR吸引。

通过对称性，当电枢从图18A所示的位置在正z方向上移动时，将提供同样的稳定性。

电枢PMT仅占据PMR磁极轴向宽度的大约一半，这为两个长音圈提供了足够的空间，如图18A至图18C所示。此外，在所有电枢位置处保持在径向方向上的净磁稳定性是图18A至图18C所示的本MNS实施例的有利特征，因为允许其使用常规的(低成本、经过验证等)橡胶周边和“蜘蛛”支撑件。

图19A至图19B示出了另一个MNS实施例，其共享图18A至图18C的MNS实施例的许多属性(即，径向稳定性、高轴向力等)。在图19A至图19B的实施例中，现在有三个静止外PMR(具有静止磁北极1901a-1903a和静止磁南极1901b-1903b)和三个内PMR(具有静止磁北极1904a-1906a和静止磁南极1904b-1906b)。替代于两个PMT阵列，电枢(具有音圈1915a-1915b)只有一个移动永磁体阵列(移动磁北极1907a和移动磁南极1907b)，它们是菱形的。

在扬声器中的使用

如上所述的排斥性/吸引性MNS可以用在扬声器中，例如图20所示的扬声器2000的示意图。扬声器2000具有密封室2001、可移动面板2002(其连接到柔性“环绕”元件2005，例如由橡胶制成以允许可移动面板2002在正z方向和负z方向上移动)。扬声器2000还包括MNS2003以及音圈2004，它们被放置为在正z方向和负z方向上移动可移动面板2002。扬声器2000还包括用于向控制电路提供位置或速度反馈的传感器2006(例如位置和/或速度传感器，其可以是光学或电感式传感器)。

图21是示出力相对于位移的曲线图，反映了可以如何使用图20的MNS来几乎抵消声音面板上的力。线2101是零线。当声音面板在z方向上移动时声音面板2002上的主要的力为空气压力，由线2102示出。(由于腔室为密封室2001，当活动面板2002在正z方向上向外移动时，由于真空/负压而产生力)。柔性支撑件2005还产生与密封室压力相同的在同一负z方向上的力，如线2103所示。然而，MNS力始终与压力和柔性支撑力方向相反，并且由线2104示出。总的力(或者也称为净力)是压力2102、MNS力2104和柔性支撑力2103的总和，并且由线2105示出。如线2105所示，无论可移动面板的位移方向如何，净力相对接近零线2101(这是由于MNS提供的力与由密封室气压和柔性支撑件所产生的力方向相反)。出于这一原因，扬声器2000只需要产生最大大约20N的力(与最大200N-250N相比)，以用于可移动面板的完全运动。因此，MNS显著提高了扬声器的效率。

图22至图23提供了如上所述的MNS驱动器的进一步细节。如图22所示，该驱动器比以前的MNS驱动器在轴向上更紧凑，因为蜘蛛件2201不再与电枢安装在同一个轴上。所示设备可以具有大约8cm的轴向长度，并且还具有大约150cm²的有源声音面板面积。可以使用扁平蜂窝面板2202代替传统的锥体，这也使该设备轴向上紧凑。

如图23所示，该设备还使用了齿轮马达2301(用于前面描述的定心机构)，其与电枢不在同一轴线上对准，这也节省了轴向空间。由于扬声器的实施例可以使用两个相反方向的MNS驱动器(以抵消由于移动电枢引起的较大振动)，因此当两个驱动器均轴向紧凑时，将它们安装到扬声器外壳中要容易得多。位置传感器可以是红外传感器2302并且其感测安装到蜂窝面板2202的反射元件的位置。该设备还具有齿轮系2304以将扭矩从齿轮马达2301传递到螺纹元件2306。在组装期间使用临时垫片2303，以确保电枢在磁气隙中居中，同时蜘蛛件2201和声音面板2202粘附到它们各自的底座上。

扬声器还可以包括电枢位置控制器中的控制功能，其不断地调节平均电枢轴向位置以最小化音圈电流(并因此最小化音圈电功率)。如前所述，MNS创造了一个非常强大的不稳定均衡；因此，如果电枢移动(在轴向上)稍微偏离零MNS力点，则其可以在其被位移的方向上加速。控制器的控制功能使电枢保持在该零力点，即使该点不对应于确切的机械中心点。因此，如果扬声器倾斜90度，就会由于重力而产生新的力，并且具有控制功能的控制器将自动调节电枢位置，从而使用该MNS力来消除由于重力产生的力(使得电功率不必浪费在由于重力而导致的抵抗力上)。该控制器还可以补偿位置传感器中的任何温度漂移以及任何制造缺陷。

虽然已经示出和描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不背离本发明的精神和教导的情况下对其进行修改。在本文中描述的实施例和提供的示例仅是示例性的，而不是限制性的。对在本文中公开的本发明的许多变化和修改是可能的并且在本发明的范围内。因此，其他实施例在以下权利要求的范围内。保护范围不受上述描述的限制，而仅受所附权利要求的限制，该范围包括权利要求的主题的所有等同物。

本文引用的所有专利、专利申请和出版物的公开在此通过引用全部并入本文，只要它们提供了对本文所述内容的示例性、过程性或其他细节的补充。

数量和其他数值数据可以在本文中以范围格式呈现。应当理解，使用这种范围格式仅仅是为了方便和简洁，并且应当灵活地解释为不仅包括明确列举为范围限制的数值，还包括包含在该范围内的所有单独的数值或子范围，正如每个数值和子范围都被明确地列举了一样。例如，大约1到大约4.5的数值范围应当被解释为不仅包括明确列举的1到大约4.5的限制，而且还包括诸如2、3、4之类的单个数字以及诸如1至3、2至4等的子范围。相同的原则适用于仅列举一个数值的范围，例如“小于大约4.5”，应将其解释为包括所有上述值和范围。此外，无论范围的广度或所描述的特性如何，都应当适用这种解释。

除非另有定义，本文中使用的所有的技术术语和科学术语具有与本公开的主题所属的本领域的普通技术人员所通常理解的含义相同的含义。尽管与本文描述的那些相似或等效的任何方法、设备和材料可以用于当前公开的主题的实践或测试，但是现在描述代表性的方法、设备和材料。

按照长期存在的专利法惯例，术语“一”和“一个”在本申请(包括权利要求)中使用时表示“一个或多个”。

除非另外指出，否则在说明书和权利要求书中使用的所有表示成分的量、反应条件等的数字要被理解为在所有情况下都被术语“约”修饰。因此，除非有相反的指示，否则在本说明书和所附权利要求中阐述的数值参数是近似值，其可以根据本公开的主题寻求获得的期望特性而变化。

如在本文中所使用的，当提及质量、重量、时间、体积、浓度或百分比的值或量时，术语“约”和“基本上”意味着从指定量开始在一些实施例中包括±20％的变化，在一些实施例中为±10％，在一些实施例中为±5％，在一些实施例中为±1％，在一些实施例中为±0.5％，并且在一些实施例中为±0.1％，只要这样的变化适合于执行所公开的方法。

如在本文中所用，术语“基本上垂直”和“基本上平行”意味着包括在一些实施例中分别在垂直方向和平行方向的±10°内、在一些实施例中分别在垂直方向和平行方向的±5°内，在一些实施例中分别在垂直方向和平行方向的±1°内，并且在一些实施例中分别在垂直方向和平行方向的±0.5°内的变化。

如在本文中所用，术语“和/或”当在列举实体的上下文中使用时，是指这些实体被单独或组合地呈现。因此，例如，短语“A、B、C和/或D”包括单独的A、B、C和D，还包括A、B、C和D的任何和所有组合和子组合。

Claims (90)

1.一种扬声器，包括：

(a)密封外壳；

(b)机械连接到该密封外壳的声音面板；

(c)可操作用来将电能转换成机械能的致动器，其中致动器机械连接到声音面板；以及

(d)磁性负弹簧MNS，其机械连接到声音面板。

2.根据权利要求1所述的扬声器，其中，致动器是音圈。

3.根据权利要求2所述的扬声器，其中，音圈和MNS共享同一磁路。

4.根据权利要求1所述的扬声器，其中，致动器是电磁体。

5.根据权利要求1所述的扬声器，其中，致动器是压电换能器。

6.根据权利要求1所述的扬声器，还包括感测声音面板的位置的位置传感器。

7.根据权利要求6所述的扬声器，其中，位置传感器是红外位置传感器。

8.根据权利要求6所述的扬声器，其中，位置传感器是电容式位置传感器。

9.根据权利要求6所述的扬声器，其中，位置传感器是电感式位置传感器。

10.根据权利要求1所述的扬声器，其中，MNS包括至少一个静止磁体和可移动电枢。

11.根据权利要求10所述的扬声器，其中，静止磁体是永磁体。

12.根据权利要求10所述的扬声器，其中，静止磁体是环形永磁体。

13.根据权利要求12所述的扬声器，其中，环形永磁体是径向极化磁体。

14.根据权利要求12所述的扬声器，其中，静止磁体包括至少四个环形永磁体。

15.根据权利要求12所述的扬声器，其中，静止磁体包括至少六个环形永磁体。

16.根据权利要求10所述的扬声器，其中，静止磁体是电磁体。

17.根据权利要求10所述的扬声器，其中，静止磁体是与永磁体结合的电磁体。

18.根据权利要求10所述的扬声器，其中，可移动电枢包括铁磁元件。

19.根据权利要求18所述的扬声器，其中，铁磁元件包括至少一个三角形钢元件。

20.根据权利要求18所述的扬声器，其中，铁磁元件包括锯齿状钢环。

21.根据权利要求18所述的扬声器，其中，铁磁元件包括层叠钢。

22.根据权利要求10所述的扬声器，其中，可移动电枢包括电枢永磁体。

23.根据权利要求22所述的扬声器，其中，当该电枢处于中心位置时，电枢永磁体的极性与静止磁体的极性相反。

24.根据权利要求22所述的扬声器，其中，对于该电枢的大多数位置，电枢永磁体的极性与静止磁体的极性相反。

25.根据权利要求22所述的扬声器，其中，电枢永磁体是三角形的。

26.根据权利要求22所述的扬声器，其中，电枢永磁体包括三角形元件的阵列。

27.根据权利要求22所述的扬声器，其中，电枢永磁体是菱形的。

28.根据权利要求22所述的扬声器，其中，电枢永磁体包括菱形元件的阵列。

29.根据权利要求10所述的扬声器，其中，可移动电枢包括音圈。

30.根据权利要求10所述的扬声器，其中，可移动电枢包括铁磁元件和音圈。

31.根据权利要求10所述的扬声器，其中，可移动电枢包括电枢永磁体和音圈。

32.根据权利要求31所述的扬声器，其中，电枢永磁体是三角形的。

33.根据权利要求31所述的扬声器，其中，电枢永磁体是菱形的。

34.根据权利要求1所述的扬声器，还包括电枢定心机构。

35.根据权利要求34所述的扬声器，其中，定心机构包括马达。

36.根据权利要求34所述的扬声器，其中，定心机构包括齿轮马达。

37.根据权利要求34所述的扬声器，其中，定心机构包括气泵。

38.根据权利要求1所述的扬声器，还包括柔性机械电枢支撑件。

39.根据权利要求38所述的扬声器，其中，柔性机械电枢支撑件与电枢共享同一个轴。

40.根据权利要求38所述的扬声器，其中，柔性机械电枢支撑件与电枢具有不同的轴。

41.一种电声换能器，包括：

(a)声音面板；

(b)可操作用来将电能转换成机械能的致动器，其中致动器机械连接到声音面板；以及

(c)磁性负弹簧(MNS)，其机械连接到声音面板。

42.根据权利要求41所述的电声换能器，其中，致动器是音圈。

43.根据权利要求42所述的电声换能器，其中，音圈和MNS共享同一磁路。

44.根据权利要求41所述的电声换能器，其中，致动器是电磁体。

45.根据权利要求41所述的电声换能器，其中，致动器是压电换能器。

46.根据权利要求41所述的电声换能器，还包括位置传感器。

47.根据权利要求46所述的电声换能器，其中，位置传感器是红外位置传感器。

48.根据权利要求46所述的电声换能器，其中，位置传感器是电容式位置传感器。

49.根据权利要求46所述的电声换能器，其中，位置传感器是电感式位置传感器。

50.根据权利要求41所述的电声换能器，其中，MNS包括至少一个静止磁体和可移动电枢。

51.根据权利要求50所述的电声换能器，其中，静止磁体是永磁体。

52.根据权利要求50所述的电声换能器，其中，静止磁体是环形永磁体。

53.根据权利要求52所述的电声换能器，其中，环形永磁体是径向极化磁体。

54.根据权利要求50所述的电声换能器，其中，静止磁体包括至少四个环形永磁体。

55.根据权利要求50所述的电声换能器，其中，静止磁体包括至少六个环形永磁体。

56.根据权利要求50所述的电声换能器，其中，静止磁体是电磁体。

57.根据权利要求50所述的电声换能器，其中，静止磁体是与永磁体结合的电磁体。

58.根据权利要求50所述的电声换能器，其中，可移动电枢包括铁磁元件。

59.根据权利要求58所述的电声换能器，其中，铁磁元件包括至少一个三角形钢元件。

60.根据权利要求58所述的电声换能器，其中，铁磁元件包括锯齿状钢环。

61.根据权利要求58所述的电声换能器，其中，铁磁元件包括层叠钢。

62.根据权利要求50所述的电声换能器，其中，可移动电枢包括至少一个电枢永磁体。

63.根据权利要求62所述的电声换能器，其中，当该电枢处于中心位置时，电枢永磁体的极性与静止磁体的极性相反。

64.根据权利要求62所述的电声换能器，其中，对于该电枢的大多数位置，电枢永磁体的极性与静止磁体的极性相反。

65.根据权利要求62所述的电声换能器，其中，电枢永磁体是三角形的。

66.根据权利要求62所述的电声换能器，其中，电枢永磁体包括三角形元件的阵列。

67.根据权利要求62所述的电声换能器，其中，电枢永磁体是菱形的。

68.根据权利要求62所述的电声换能器，其中，电枢永磁体包括菱形元件的阵列。

69.根据权利要求50所述的电声换能器，其中，可移动电枢包括音圈。

70.根据权利要求50所述的电声换能器，其中，可移动电枢包括铁磁元件和音圈。

71.根据权利要求50所述的电声换能器，其中，可移动电枢包括电枢永磁体和音圈。

72.根据权利要求71所述的电声换能器，其中，电枢永磁体是三角形的。

73.根据权利要求71所述的电声换能器，其中，电枢永磁体是菱形的。

74.根据权利要求41所述的电声换能器，还包括电枢定心机构。

75.根据权利要求74所述的电声换能器，其中，定心机构包括马达。

76.根据权利要求74所述的电声换能器，其中，定心机构包括齿轮马达。

77.根据权利要求74所述的电声换能器，其中，定心机构包括气泵。

78.根据权利要求41所述的电声换能器，还包括柔性机械电枢支撑件。

79.根据权利要求78所述的电声换能器，其中，柔性机械电枢支撑件与电枢共享同一个轴。

80.根据权利要求78所述的电声换能器，其中，柔性机械电枢支撑件与电枢具有不同的轴。

81.一种系统，包括根据权利要求41所述的第一电声换能器和根据权利要求41所述的第二电声换能器，其中，第一电声换能器与第二电声换能器成180度放置。

82.一种电声换能器，包括：

(a)声音面板；

(b)可操作用来将电能转换成机械能的致动器，其中，致动器与声音面板机械连接；

(c)磁性负弹簧(MNS)，其与声音面板机械连接；以及

(d)定心机构。

83.一种电声换能器，包括：

(a)声音面板；

(b)可操作用来将电能转换成机械能的致动器，其中，致动器与声音面板机械连接；

(c)磁性负弹簧(MNS)，其与声音面板机械连接；以及

(d)位置传感器。

84.一种电声换能器，包括：

(a)声音面板；

(b)可操作用来将电能转换成机械能的致动器，其中，致动器与声音面板机械连接；

(c)磁性负弹簧(MNS)，其与声音面板机械连接；以及

(d)柔性机械电枢支撑件。

85.一种制造电声换能器的方法，其中，该方法包括以下步骤：

(a)将声音面板安装到密封外壳；

(b)安装磁性负弹簧MNS，该MNS具有到声音面板的电枢，

(c)将可操作用来将电能转换成机械能的致动器安装到声音面板，从而使得由于密封外壳内的压力变化而作用在声音面板上的机械力至少部分地被来自MNS的磁力抵消。

86.根据权利要求85所述的方法，其中，电声换能器是选自根据权利要求42-80所述的电声换能器构成的组的电声换能器。

87.一种使用电声换能器的方法，其中，该方法包括以下步骤：

(a)从根据权利要求42-80所述的电声换能器构成的组中选择电声换能器，其中，该电声换能器在密封室内；

(b)使用该电声换能器，从而使得由于密封外壳内的压力变化导致的机械力至少部分地被来自电声换能器的磁性负弹簧的磁力抵消。

88.根据权利要求87所述的方法，还包括监控电能以自动调整电声换能器的电枢的平均位置以最小化致动器的电能消耗的步骤。

89.根据权利要求88所述的方法，其中，致动器是音圈。

90.一种磁性负弹簧MNS，包括：

(a)静止磁路，

(b)可移动电枢；

(c)位置传感器；

(d)安装在可移动电枢上的音圈；以及

(e)安装在可移动电枢上的永磁体。

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