CN1228700C - 包含扬声器和触摸板的电子产品 - Google Patents

Abstract

用于电子产品190的触摸板组件202，包括触摸板202、把触摸板202机械连接到电子产品外壳198的连接器、和为驱动作为声辐射器的外壳由连接装置66装在连接器或触摸板上的换能器108。和一使用该垫的电子产品。电子产品190包括一主体，在主体内或其上装有弯曲波扬声器，扬声器包括弯曲波声辐射器204和安装在声辐射器204上的电动机械力换能器108，以振动辐射器并产生声输出，其特征在于换能器108有期望的工作频率范围并包括谐振元件，在工作频率范围内具有一模式频率分布，和把换能器108安装到辐射器的连接装置66。

Description

包含扬声器和触摸板的电子产品

技术领域

本发明涉及电子产品，特别是低能耗或自供能的物品，例如那些供个人使用的电子产品，如：移动电话、个人备忘记事本和袖珍收音机。

背景技术

国际专利申请WO00/69212提供了一种具有主体或壳体的个人便携式电子产品，在主体或壳体上或内安装一个弯曲波扬声器。弯曲波扬声器包括一声辐射器和一安装在辐射器上以使辐射器振动产生声音输出的振动激励器。所述辐射器与主体或壳体一体地整体形成作为一喷射铸型并限定主体或壳体的一个子区域。个人便携式电子产品就意味着这种物品足够小以至于能手持。

辐射器可以是分布模式声辐射扬声器，例如国际申请WO97/09842中所描述的那种。

通常，个人便携式电子产品是低能耗的装置或者是自供能的装置。

发明内容

根据本发明，一电子产品具有一主体或壳体，在主体或壳体上或内安装一个弯曲波扬声器，所述扬声器包括一弯曲波声辐射器和一电机械力换能器，所述换能器安装到辐射器上以使辐射器振动产生声音输出，其特征在于换能器有一个预期工作频率范围，并且包括一个在预期工作频率范围内具有一模式频率分布的谐振元件和用于把换能器安装到辐射器的连接装置。连接装置可以安装在谐振元件上。

电子产品可以是远程提供能量的物品，例如带有光或带有红外线电源的物品。这样电子产品可以从无线电池板、个人PA或太阳能电池板中进行选择。电子产品可以是低能耗物品，例如无绳装置，如：袖珍收音机、随身听、个人数据助理(PDA)、电子玩具、蜂鸣器、多频或单频音响器、钟、电子新产品、笔记本电脑、计算机鼠标、键盘、显示器、个人计算机、监视器或电视。电子产品还可以是一次性(disposable)的物品，例如一次性的扬声器或蜂鸣器、低成本通信装置、信用卡、新产品、书或卡。

声辐射器可以与主体或壳体一起整体安装或模制。辐射器可以是透明的，例如可以是限定一个显示屏的区域。

声辐射器可以是一个触摸板。声辐射器可以是环绕触摸板的整个壳体或一部分壳体。连接装置可以包括一触摸板，例如用环绕触摸板周边的一个框与外壳声连接。换能器即可以直接安装到触摸板上，也可以安装在框上且由换能器驱动外壳。触摸板可以通过整体锁夹或者分离锁紧元件，例如螺钉、螺栓或卡口式固定连接到壳体上。可替换地，触摸板可以用磨擦方式安装在外壳上。

这样，包括触摸板和换能器的整体组件可以用于驱动声辐射器。由于外壳用作初级声辐射器，触摸板和围绕触摸板的外壳都可以用作声辐射器。如果希望，至少一个附加的换能器可以安装在所述初级声辐射器上。在任何电子装备中，例如笔记本电脑或个人数据助理，所述触摸板组件可以替换一个标准触摸板。

揩振元件可以是主动的，例如可以是压电换能器，和可以是条状压电材料。可替换地，谐振元件可以是被动的，换能器可以进一步包括一个主动换能器，例如惯性或地面振动换能器(grounded vibration transducer)、致动器或激励器，例如移动线圈换能器。主动换能器可以是弯曲的或扭转的换能器(如在WO00/13464中所描述的类型)。另外，换能器可以包括主动和被动元件的组合，以形成一个混合换能器。

已开发出许多向声辐射器，如扬声器的结构施加力的换能器、激励器或致动器结构。这些换能器结构有许多不同的形式，例如移动线圈、移动磁体、压电或磁致伸缩型。典型地，用线圈和磁体型换能器的电动力学扬声器损失它们输入能量的99％来发热，然而压电换能器只损失1％的能量。这样，由于压电换能器的高效率，压电换能器是很受欢迎的。

对于压电换能器来说有这样几个问题，例如，如果和黄铜箔相比，它们固有地非常硬，这样它们和声辐射器匹配相当困难，特别是与空气。提高换能器的刚度可以使基础谐振模式达到更高的频率。这样压电换能器被认为有两个工作范围。第一个工作范围是低于换能器的基础谐振。这是“受控刚度”范围，在这个范围内速度会随着频率增加，并且输出响应通常需要进行均衡。这就导致可用效率的损失。第二范围是在刚度范围之外的谐振范围，由于谐振是相当剧烈的，所以这个范围通常要避免。

还有，一般的指导是抑制换能器内的谐振，这样压电换能器通常只使用在低于或等于换能器基础谐振的频率范围。在压电换能器用于高于基础谐振频率时，为抑制谐振峰值，有必要施加阻尼。

与压电换能器相关的这些问题相似地适用于那些包括其他“精明”材料的换能器，“精明”材料即：磁致伸缩、电致伸缩和驻极体型材料。已知有多种不同的压电换能器，例如Shinsei Corporation公司的公开号为EP0993231A、Shinsei Corporation公司的公开号为EP0881856A、MurataManufacturing有限公司的公开号为US4593160、Sanyo Electric有限公司的公开号为US4401857、Altec Corporation公司的公开号为US4481663和Sawafuji的公开号为GB166022A的英国专利申请中所描述的换能器。然而，本发明的一个目的是应用改进的换能器。

用于本发明的换能器可以认为是一预期模态的换能器。连接装置在有利于将谐振元件的模态作用耦合到交接面上的位置处连接到谐振元件上。可以选择这些谐振元件的参数，例如纵横比、弯曲刚度、厚度和几何图形，以增强在工作频率范围内谐振元件的模式分布。谐振元件的弯曲刚度和厚度可以被选择是各向同性或者是各向异性。为增强谐振元件内的模式分布，可以选择变化的弯曲刚度和/或厚度。可用一些分析方法来选择参数，这些分析方法例如用有限元FEA或模型化的计算机模拟。

通过确保主动元件的第一模式接近需要的最低工作频率来增强这种分布。也可以通过在工作频率范围内确保一个令人满意的，如高的模式密度来增强这种分布。模式密度对主动元件来说最好是足够提供随频率基本上为一个平均的力。好的能量传递可以提供有益的模态谐振的平滑化。可选择地，或者另外，可以通过分布谐振弯曲波模式，在频率上的基本均匀增强模式分布，即对响应由模式的“聚束(bunching)”或聚簇引起的频率的波峰进行平滑化。因此这种换能器作为分布模式换能器或DMT是公知的。

这种预期模态或分布模式换能器在国际专利申请WO01/54450中进行了描述。

换能器可包括多个谐振元件，每个谐振元件有一个模式分布，谐振元件在工作频率范围内交错设置，增强作为一个整的装置的换能器的模式分布。谐振元件可以有不同的基础频率，这样诸如谐振元件的重量、几何表面或弯曲刚度这些参数也可以不同。

谐振元件可以通过连接装置以任何一种方便的方式，如通常以硬的短柱(stub)在两个元件之间连接。谐振元件最好在那些增强换能器的模态和/或在施加力的位置增强耦合的那些耦合点处被耦合。可以选择连接装置的参数以增强谐振元件内的模型分布。谐振元件可以安置成一叠。连接点可以是轴向对齐。

谐振元件可以是盘状，或者是弯曲的非平面。盘状谐振元件可以制成带有多个狭缝或不连续，以形成一个多谐振系统。谐振元件可以是梁状，梯形的、椭圆形的或是大致盘状。可以选择地，谐振元件可以是长方形的并且可以是绕沿矩形平面对称短轴的一个轴的弯曲而形成的。

谐振元件可以是沿两个大体上成直角的轴的模态，每个轴有一相关的基础频率。为最佳模态分布，两个基础频率的比可以被调整，例如9∶7(～1.286∶1)。

例如，这种模态换能器的设置可以是下述中的任一个：平的压电盘、至少两个或最好至少三个平的压电盘的组合、两个相似的压电梁、多个相似的压电粱的组合、一个弯曲压电盘、多个弯曲压电盘或两个相似的弯曲压电梁的组合。

通过优化谐振元件的频率比，即每一谐振元件的每一基础谐振频率比，在每一谐振元件上的模式分布的交错被增强。这样，每一谐振元件的参数相对于另一个可以被变更，以增强换能器的所有模态分布。

当用两个梁状形式的主动谐振元件时，这两个梁可以有一个1.27∶1的频率比(即基础频率比)。对于包括三个梁的换能器，频率比可以是1.315∶1.147∶1。对于包括两个盘的换能器，为优化高阶模型密度，频率比可以是1.1+/-0.02比1，或者，为优化低阶模型密度，频率比可以是3.2∶1。对于包括三个盘的换能器，频率比可以是3.03∶1.63∶1，或者是8.19∶3.20∶1。

可以选择连接装置的参数，以增强在工作频率范围内谐振元件内的模式分布。连接装置可以是残留的，例如胶的可控层。

连接装置可以相对于面板不对称地定位，不对称地与换能器连接。可有几种方式来获得这种不对称，例如通过调节换能器相对于面板或换能器的对称轴的位置和方向。

连接装置可形成一条连接器的线。可选择地，连接装置可形成一个点或连接器的小局部区域，在这个区域，连接器区域相对于谐振元件的尺寸来说来说是很小的。连接装置可以是短柱的形式并且有小的直径，例如3至4mm。连接装置可以是质量小的材料。

连接装置可以包括多于一个的连接点，并且可以包括连接器点的组合和/或连接器线的组合。例如，可以用连接器的两个点或两个小局部区域，一个位于中心附近，另一个位于主动元件的边缘。这种方式对那些一般来说具有刚度和高自然谐振频率的盘状换能器来说是有用的。

可替换地，也可以只设置一个连接点。在多谐振元件阵列的情况下，运可以具有这样的好处，即：通过一个连接元件将所有谐振元件的输出合在一起，这样对输出来说可以不再通过负载将它们合在一起。可以选择连接装置位于一个谐振元件的腹点，也可以选择随频率施以一恒定的平均力。连接装置可以位于远离谐振元件中心的位置。

可以选择连接器线的位置和/或方向，以优化谐振元件的模型密度。优选地，连接器线不与谐振元件的对称线重合。例如，对于长方形谐振元件，连接器线可以偏离谐振元件的短对称轴(或中心线)。连接器线的方向可以平行于面板的对称轴。

可以选择谐振元件的形状，以提供一个连接器的偏心线，这个偏心线通常是谐振元件的质量中心。这一实施例的一个好处是换能器在质量中心点被连接，这样就不会有固有的不平衡。这可以通过一个对称形状的谐振元件来获得，这种对称形状的谐振元件可以是梯形或者不规则四边形。

对于包括一个粱状或通常长方形谐振元件的换能器来说，连接器线可以在谐振元件的整个宽度上延伸。谐振元件的面积相对于声辐射器的面积来说是小的。

声辐射器可以是面板状。面板可以是平的和重量轻的。声辐射器的材料可以是各向异性或各向同性的。

声辐射器可以有一个如WO97/09842中所说的那种谐振弯曲波模式分布，并且可以选择声辐射器特性以在频率上基本均匀分布谐振弯曲波模式，即：平滑在谐振频率处的由模式的“聚束”或聚簇引起的波峰。

特别地，可以选择声辐射器特性以在频率上基本均匀分布较低频率谐振弯曲波模式。较低频率谐振弯曲波模式最好是声辐射器的最低的10到20个频率谐振弯曲波模式。

可以选择换能器的位置以在声辐射器内基本均匀地耦合到谐振弯曲波模式，特别是耦合到较低频率谐振弯曲波模式。换句话说，换能器可以安装在声辐射器内振动主动谐振腹点数目相对高的地方，相反地是谐振节点数目相对低的地方。任何这种位置可以用，但是最方便的位置是位于沿声辐射器的长和宽的38％至62％的中心附近位置，除了中心位置外。特别的或优选的位置是在沿轴距离的3/7、4/9或5/13的位置处；对长度轴和宽度轴的比进行优选不同。优选的是纵横比为1∶1.13或1∶1.41的各向同性面板的4/9的长度，3/7的宽度处。

工作频率范围可以是遍及一个相对宽的频率范围，可以是音频范围和/或超声范围。由于分布模式换能器的效能，还可以应用在声纳和声波测距和成像上，而这些都是使用了较宽的带宽和/或可能较高的能量的情况。因此，在遍及一个范围进行操作，即大于由单独占主导频率所限定的范围，可以获得换能器的固有谐振。

工作频率范围内最低频率最好高于一预定的较低限定频率，这个限定频率大约为换能器的基础谐振。

例如，对于梁状主动谐振元件，这个力可以从梁的中心获得，并且和与其所附着的声辐射器的模式形式相匹配。这样，作用与反作用可以协作以给出一个恒定的频率输出。由于在谐振元件的腹点将谐振元件连接到声辐射器，谐振元件的第一谐振可出现低的阻抗。这样，声辐射器不放大谐振元件的谐振。

根据本发明的第二方面，提供一个用于电子产品的触摸板组件，例如笔记本电脑或PDA，这个组件包括一触摸板、用于将触摸板机械连接到电子产品外壳上的连接装置、及一个换能器，该换能器安装在连接装置上或触摸板上以驱动作为声辐射器的壳体。

连接装置可以是环绕触模板周边的框的形式。换能器可安装在触摸板上或所述框上。触摸板可以通过整体锁夹或者分离锁紧元件(例如螺钉、螺栓或卡口式固定)连接到壳体上。可替换地，触摸板可以用磨擦方式安装在外壳上。

附图说明

以示例的方式，在相关附图中对本发明进行图表式说明，其中：

图1A表示本发明的一次性的扬声器的前透视图；

图1B是沿图1A中的线AA的截面图；

图2A和图2B表示本发明的扬声器的前透视图和侧透视图；

图3表示本发明的用于个人计算机的鼠标或定点设备的截面图；

图4表示本发明的安装于外壳内的扬声器的截面图；

图5表示本发明的个人数据助理或其他便携计算机的截面图；

图6A和6B表示本发明的扬声器系统的侧面和平面图；

图7表示本发明的笔记本电脑的透视图；

图8表示沿本发明使用的第二笔记本电脑的线AA(图7中所示)的截面图；

图9A和9B是触摸板组件的平面和截面图；

图9C表示图9A和9B所示的安装于电子设备的触摸板组件后的部分截面图；

图9D表示安装图9A和9B所示的触摸板组件的笔记本电脑外壳内部的部分透视图；

图10A和10B分别表示一种公知的笔记本电脑和用了图9A所示触摸板组件的笔记本电脑的相对于频率的声音输出曲线图；

图10C表示用了图9B所示触摸板组件的第二笔记本电脑的相对于频率的空间平均传递dB函数曲线图；

图11A表示本发明的个人数字助理(PDA)的前视图；

图11B表示图11A所示的PDA的截面侧视图；

图12A表示本发明的可视显示单元(VDU)的透视图；

图12B表示图12A所示的VDU的一部分的截面图；

图13A表示本发明的信用卡的前视图；

图13B表示图13A所示的信用卡沿线A-A的截面侧视图；

图13C表示图13A所示的信用卡沿线B-B的截面侧视图；

图14表示本发明的贺卡的透视图；

图15A表示本发明的个人数字助理(PDA)的前视图；

图15B表示图15A所示的PDA的截面侧视图；

图16至22表示用于本发明的可选择模型换能器的侧视图；

图23表示用于本发明的一个可选择模型换能器的平面图；

图24a表示用于本发明的使用的换能器模态参数图示平面图；

图24b表示图24a所示的垂直于换能器连接线的截面图；

图25a表示用于本发明的使用换能器模态参数的图示平面图

图25b表示图25a所示的换能器的图式平面图。

具体实施方式

图1A和1B示出了一种一次性的扬声器，例如：多频扬声器、一次性的蜂鸣器、信用卡或其他新式扬声器。扬声器包括一个能支持弯曲波振动，最好是谐振弯曲波振动的面板60，和一个通过连接短柱安装到面板60上以激励弯曲波振动并产生声输出的换能器62。换能器62是预期的模态换能器或者是如此前在WO01/54450中所述的那种分布模态换能器。换能器62包括一个压电盘元件64。两条柔性连接线68向元件64提供电输出。

图2示出了类似于图1A和1B中所示的扬声器58，并且那些共有的元件具有相同的附图标记。扬声器58通过柔性外围物86安装到沿扬声器周边延伸的支持框84上。支持框84可以使扬声器方便地安装到一个表面上或一个附加支承上。

图3示出了在计算机系统(未示出)中用作定点设备的鼠标88的截面。鼠标88包括标准件，例如：球90、小写字母盘92和盖94。盖94设计成可以支持弯曲波振动，最好是支持谐振弯曲波振动。一种预期模态的换能器108通过连接短柱66安装到盖94上以激励弯曲波振动并产生声输出。

换能器包括上和下双压电晶体梁112和110，上压电晶体梁112通过在梁的整个宽度上延伸的短柱66连接到盖94上。短柱的宽和高可以是1-2mm，可由硬塑料和/或金属制成，并带有合适的绝缘层以防止电短路。

上粱112比下梁110长，这两个梁由中间安装短柱152连接。每一个梁由三层组成，即两个压电陶瓷材料的外层，例如：PZT 5H，中间夹有中心黄铜叶片。外层通过厚度典型为10至15微米的粘着层与黄铜片连接。

图4示出了能支持弯曲波振动，最好是谐振弯曲波振动的面板60。面板60通过在面板60周边延伸的柔性悬架156安装在封闭箱154内。一类似于图3中所用的预期模态的换能器108通过一个连接短柱66安装到面板60上，以激励弯曲波振动并产生声输出。

封闭箱154大体上可以防止从面板60的背面155辐射出的声音与从面板的前面157辐射出的声音产生干涉。这样箱154用作障板以防止声音的抵消。箱154内可充入合适的吸收体。

图5示出了个人数据助理(PDA)158，其包括常规元件，即：支持键盘170的外壳176和一个用转轴178转动连接到外壳176上的盖180。盖180支持一显示器172，显示器可以是液晶显示器(LCD)或薄膜晶体管(TFT)及可安装在显示器前面的可选择的前窗174。盖180设计成能支持弯曲波振动，最好是谐振弯曲波振动。预期模态的换能器62，例如图1A和1B中示出的换能器62，通过连接短柱66安装到盖180上，以激励弯曲波振动并产生声输出。

换能器62具有一个机械源阻抗与盖180的机械源阻抗相匹配，因而可获得最大的传递能量。作为可替换的或另外的，换能器可安装到外壳176上。

图6A和6B示出了包括能支持弯曲波振动，最好是谐振弯曲波振动的面板60和预期模态的换能器62，例如图1A和1B所示的换能器62。换能器62通过连接短柱66安装到面板60上，以激励弯曲波振动并产生声音输出。

通过一个安装在面板60上的放大器182为换能器62提供信号。这个系统还包括为放大器提供能量的电源184，例如电池、太阳能电池或直流红外耦合。这样，扬声器系统186适于作为一个无线装置工作，其可用于无线面板/个人PA、自供能太阳能电池板、无线设备或便携收音机/随身听。系统186可以完全远距离供能量-例如光/红处电源。

图7和8示出了笔记本电脑190，其包括下列标准元件，即：支持键盘200和触摸板202的基座198、和通过转轴196转动连接到基座上的盖194。显示屏192安装到盖194内。键盘200面向显示屏192。用作定点功能的触摸板202位于最靠近使用者的基座198的边201的中心附近。

在图7中，两个例如那些用于图1A和1B中的模态换能器62，通过位于基座内的短柱66安装到基座的内上表面。可替换地，如图8所示，也可以使用如用于图3中的模态换能器108。基座的上表面设计成具有能覆盖基座的全部或一部分、并能支持弯曲波振动，最好是谐振弯曲波振动的区域204。在任一实施例中，换能器安装到这样的两个区域以激励弯曲波振动并产生声输出。换能器设计成驱动局部基座机械阻抗，以获得一个高水平的机械耦合效率。

图9A和9B示出了触摸板组件203，其可以用于代替图7和8中的触摸板，或代替本发明的其他实施例中的触摸板。触摸板组件203包括触摸板202、沿触摸板202周边延伸的框205和安装到框上的换能器207。框上开槽，由此框具有总体上为U形的截面。触摸板202和换能器207都安装在槽内，但它们由一个空气槽213隔开。

触摸板202由玻璃纤维增强塑料线路板材料(glass fibre reinforcedplastics circuit board material)制成，并且有大约3.59Ns/m的阻抗。触摸板202大约0.4mm厚，并且一个170微米的塑料薄片粘到触摸板202的前表面上。塑料薄片提供一个装饰性的或保护性的外层。

如图9C中所示，触摸板组件203的框205安装到电子设备的外壳209上，这些电子设备如笔记本电脑或个人数据助理。换能器207在框205内驱动弯曲波振动。框205机械地和声学地连接到外壳上，由此框的振动传递到外壳209。外壳形成电子设备的初级声辐射器。

选择换能器207与触摸板和腕垫的组合后的阻抗相匹配。换能器最好是DMT，但可替换的也可以是惯性或落地振动换能器(grounded vibrationtransducer)、致动器或激励器，例如移动线圈换能器、压电换能器、磁致伸缩激励器或弯曲的或扭转的换能器(如在WO00/13464中所描述的类型)。

图9D示出了安装有触摸板组件的笔记本电脑的一个内部的区段。图9D示出了外壳面向下方的顶端视图。触摸板202支持在外壳209内形成腕架，所述外壳带有位于触摸板202的两边的区域240。外壳209还包括一个内部嵌入键盘的孔241，模制间隔物242把孔和腕架区域240分开。厚度为1.5mm的聚苯乙烯条板243向下贴附在腕座的一个边缘上以有利于面板的边界条件。第二条板(未示出)在触摸板的另一边贴附到腕座上。条板在外壳209的前墙244和模制分隔物242之间延伸。

在每一笔记本电脑的实施例中，为避免杂乱的振动(spurious rattles)，小的泡沫间隔物可以安装到外壳的任何按钮上和连接中央处理单元的底盘至散热器的有翼的金属薄片上。

这样设置的好处是触摸板和换能器能组合为单一整体组件。另外，用于换能器的附加电连接211可以容易地加到为其他目的已经带有电连接的触摸板202上。整体的组件可以减少复杂性、重量和成本，也占有少的空间，这些对便携电子产品来说都是有价值的。

图10A和10B示出了公知的带有微型扬声器的DELL(TM)笔记本电脑和内部的触摸板被图9A和9B所示的触摸板组件所替换的笔记本电脑的频率响应。测量在高于腕垫上方25cm处进行，笔记本电脑放在具有足够重的且不对测量输出有影响的平桌上。根据本发明的笔记本电脑能得到三倍的改善水平。

而且，根据本发明的笔记本电脑有一个具有基本上的容性阻抗扬声器。特别地，阻抗的模从在1kHz时超过1000ohms降至在10kHz时的100ohms。这样，通常扬声器随着频率的增加有一个降低的能量，特别是对音乐。

图10C示出了Compaq(TM)笔记本电脑的性能，在这种笔记本电脑中，触摸板被类似于图9A中所示的组件所替换。换能器安装到触摸板上并在触摸板的任一侧驱动触摸板和外壳(腕座)。面板边界条件如图9D所限定的。在触摸板的任一边腕座适于有相等的机械阻抗。换能器的阻抗设计成与面板和腕座合并的整体阻抗相匹配。这样，换能器是一个双梁换能器，其分别比标准梁的宽，长度为42mm和39mm。

如图10C中所示的有一个大约400Hz的低频限定。声音输出由位于面板后面的声音负载控制，并且如果面板后面的小的空气槽减小，带宽将明显缩减。例如，对于合适的换能器空气槽为6mm时带宽降至200Hz，但是如果空气槽降至2mm时，低频限定将升至600Hz。

图11A示出了个人数字助理(PDA)的前视图，它通常具有触摸屏214，还有用于控制和数据输入的按钮216。图9中的截面图更详细地示出了PDA。外壳218通常由两部分组成，这两部分安装在一起以装入显示屏220，电子线路安装到内部的印刷电路板上224上。外壳(通常是铸塑的)的后面通过一个短柱66贴附换能器108以辐射声音。换能器108包括一个驱动短柱的较长梁112，和通过第二个短柱152连接的第二个梁110。尽管在这种情况下较长梁靠近外壳218，这两个梁可以没有任何损害地互换。设置导线用于电输入连接。

图12A示出了可视显示单元137的透视图，它可制成任何希望的模态，例如阴极射线管或液晶显示器。可视显示单元137包括在前面装有显示屏37的箱状外壳101、后面和相对的侧面102。如图12B中更清楚示出的那样，总体上为矩形的面板2在每一相对的侧面102上由槽3限定。每个面板2包括夹在两个皮层21中间的芯层22。如上所述的双梁换能器108贴附至每个面板2上，以向面板激励/激起弯曲波并引起它们共振产生声输出。

期望模态的换能器108的应用通过换能器的机械阻抗与侧面的匹配可以得到好的机械耦合。这样，尽管面板2可特别设计以优化声音性能，即可以是轻和硬的，这都不重要。这样就不必从根本上改变监视器/TV生产者所采用的生产要求和方法。

图13A至13C示出了信用卡226，在信用卡中，单粱换能器62安装在信用卡226的主体228的袋230内。换能器62通过可整体模制在主体228上的短柱66驱动信用卡辐射声音。袋228充许换能器62自由振动而不会碰到信用卡的其他部分。信用卡由嵌入的电子电路230供能，电子电路包括电源、存储器、信号处理器和放大器并连接到与换能器62连接的电线236上。由合适的纸、塑料或金属制成的薄盖232用于封住换能器62和电子电路230。

图14示出了贺卡或类似卡(81)，这种卡的形式是具有折叠元件的前页83和后页85。换能器62通过一个小的短柱(未示出)贴附在其中的一个页上，最好是后页146上，这样可以使页振动并引起它共振以产生声输出。换能器62由一个信号发生器/放大器电池单元87驱动，电池单元由隐藏在卡的折叠处的开关89开启，这样可以在卡打开时启动信号发生器。

图15A和15B示出了类似于图11A和11B中的PDA，并且共有的元件用相同的附图标记表示。这里所说的PDA与前面的不同在于它包括一个盖215，该盖能够保护触摸屏214，并且在触摸屏的打开位置对触摸屏进行写或画的操作，即正常应用。双梁换能器108通过短柱66贴附到盖215上，这样可使盖215用作扬声器。短柱66可以整体铸到盖215上。换能器108包括两个具有不同长度用一个短柱66连接在一起的梁110，112。利用电线电连接与PDA(未示出)的主体218内的驱动电路连接。

其余的图示出了可替换的换能器，这些换能器可以与在图1至15b中所示的嵌入扬声器协作使用。期望模态的换能器与移动线圈/永久磁铁式设计相比在质量上和深度上都可以减小。所以，应用这样的换能器可以减少扬声器的总重量，换能器应该适于在有限的空间内安装。这样，换能器就能理想地适于图1至15B中所示的那些便携应用。

图16示出了换能器42，这种换能器包括第一压电梁43，在第一压电梁的背面通过位于两个粱中心的短柱48安装有第二压电粱51。每个粱都是一个双压电晶片。第一压电梁43包括两层压电材料层44，46，第二压电梁51包括两层50，52。压电材料的每一层的极向用箭头49表示。双压电晶体的每一层44、45与另外层46、52有相反的极向。双压电晶体还可以包括一个中心导体叶片，该叶片允许平行电连接如同向陶瓷压电层加入了一个加强元件。每个梁44、46的每一层可以由相同的/不同的压电材料制成。每一层通常有不同的长度。

第一压电梁43通过位于第一梁中心的短柱56的连接装置安装在面板54上。通过安装第一梁在其中心只有偶数级模式(even order mode)才能产生输出。通过把第二梁定位在第一梁后面，并且通过短柱在中心把两个梁连接在一起，它们可以被认为是驱动相同的轴向对准或相同的位置。

当元件连接在一起时，模式分布的结果并不是各组分离的频率系列的相加，因为每一元件改变其他元件的模式。两个梁设计成使得它们的各自模态分布是交错的，这样可以增强换能器的总体模态。在整个涉及的频率范围内，两梁加在一起可以产生有用的输出。因为在各自的偶数级模式压电粱之间的相互作用，产生局部的窄的凹下。

可以用两个梁的基础谐振比来选择第二梁。如果材料和厚度相同，那么频率比仅是长度比的平方。如果较大梁的较高的f0(基础频率)简单地放在f0和另外的f1中间的一半的位置时，较小梁的f3和较低梁的f4也是一致的。

通过为两个梁绘制相对于频率比的成本函数曲线发现，理想的比是1.27∶1。也就是说在这一点上成本函数最小。这个比等于WO97/09482中描述的“黄金”纵横比(f02∶f20的比)。改善换能器模态的方法可以扩展到在换能器内用三个压电梁。理想的比是1.315∶1.147∶1。

组合主动元件，例如压电梁的方法可以扩展到用压电盘。用两个压电盘，两个压电盘的尺寸比依靠要考虑多少模式来确定。对高级别模态密度，1.1+/-0.02比1的基础频率能够得出较好的结果。对低级别模态密度(即前几个或前5个模式)，3.2∶1的基础频率比是合适的。第一间隙产生在较大盘的第二模式和第三模式之间。

由于有一个大的间隙位于每个盘的第一和第二半径模式之间，用三个盘比用两个盘就能获得更好的交错。当把第三个盘加入到双盘换能器时，显然第一目标是塞住前面所述的较大盘的第二和第三模式之间的间隙。然而，等比级数显示这不是唯一答案。用f0，α.f0，α².f0的基础频率，绘制rms(αα²)，对α有两个主要的最佳值。这两个值大约是1.72和2.90，后一个值明显与间隙填充方法相对应。

用f0，α.f0，和β.f0的基础频率，使两个定标是自由的，并用上面的α值作为源值(seed values)，能获得好一点的最佳值。参数对(αβ是(1.63，3.03)和(3.20，8.19))。这些最佳值是很浅的，这意味着参数值10％或20％的变化是可接受的。

确定不同盘的可替换的方法是综合考虑三个盘的半径比的成本函数。成本函数是RSCD(中心差分和的比)、SRCD(中心差分比的和)和SCR(中心比的和)。对于每一组模态频率f₀，f₁，f_n，…F_N，这些函数由如下公式确定：

RSCD(CD求和的R)：

$\mathrm{RSCD}=\frac{\frac{1}{N-1}\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(f_{n+1}+f_{n-1}-2f_n)}^2}{f_0}$

SCRD(RCD求和)：

$\mathrm{SRCD}=\frac{1}{N-1}\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{f_{n+1}+f_{n-1}-2f_n}{f_n}\right)}^2$

CR：

$\mathrm{SCR}=\frac{1}{N-1}\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{f_{n+1}\·f_{n-1}}{{\left(f_n\right)}^2}\right)$

最佳半径比，即成本函数最小处，对所有成本函数来说是1.3。由于半径比的平方等于频率比，对这些相同材料和厚度的盘来说，1.3×1.3＝1.69，那么1.67的分析结果是很一致的。

可替换地或另外，被动元件可以用于换能器以改善它的全部模态。主动和被动元件可以层叠设置。图17示出了包括在其上叠放有两个被动谐振元件74的两个主动压电元件72的多层盘状换能器，例如主动和被动元件交错模式的薄金属盘。

各元件用位于每个主动和被动元件中间的短柱78形式的连接装置连接起来。各元件同心地布置。每一元件有不同的尺寸，最小的和最大的盘分别位于叠放层的顶端和底端。换能器70通过位于第一个最大盘的被动装置的中心的短柱78的连接装置安装到负载装置76上，例如一个面板。

改善换能器模态的方法可以扩展到包括两个压电板式的主动元件的换能器。尺寸为(1乘α)和(α乘α²)板在(3/7，4/9)处耦合。所以频率比大约为1.3∶1(1.14×1.14＝1.2996)。

如图18所示，小的质量块104可以安装在具有连接装置105的压电晶体换能器106的端部。在图19中，换能器114是一个惯性电动力学移动线圈激励器，例如WO97/09842中所描述的，其具有形成主动元件115的声音线圈和模态板118形式的被动谐振元件。主动元件115安装在模态板118上并且偏离模态板的中心。

模态板118通过连接件120安装在面板116上。连接件与主动元件的轴119对齐但不与垂直于面板116的面的轴(Z)对齐。这样换能器不与面板轴(Z)重合。主动元件通过电线122与电信号输入连接。模态板118上打有孔以减少从那儿的声辐射，主动元件的位置偏离模态板118的中心，例如在最佳的安装位置，即(3/7，4/9)。

图20示出了换能器124，它包括通过短柱形式的连接装置126安装到面板128的主动压电谐振元件。换能器124和面板128都具有的宽长比是1∶1.13。连接装置126不与换能器或面板的轴(130，Z)对齐。另外，连接装置位于最佳位置，即相对于换能器124和面板128偏心。

图21示出了梁状主动压电谐振元件形式的换能器132。换能器132通过两个短柱形式的连接装置连接到面板134上。一个短柱位于梁的端部138，另一个短柱位于梁的中心。

图22示出了包括两个通过连接装置144连接的主动谐振元件142，143的换能器140，还包括一个围绕连接装置144和谐振元件142的外围物148。这样换能器可以阻尼震动和冲击。外围物由低机械阻抗橡胶或可与之相比较的聚合物制成，这样不会阻碍换能器的工作。如果聚合物是防水的，换能器140可制成防水的。

谐振元件142比通过短柱形式的连接装置连接至面板145的下谐振元件143大。短柱位于下谐振元件143的中心。用于每个主动元件的电源连接件150从外围物延伸并允许与负载装置(未示出)有很好的声连接。

图23示出了一个盘状主动谐振元件形式的换能器160。在谐振元件上形成许多缝162并限定许多指状物164，这样就形成一个多谐振系统。谐振元件通过短柱166形式的连接装置安装到面板168上。

在图24A和24B中，换能器14是长方形的并带有一定的非平面曲度，并且是一个预压的压电换能器，正如在美国专利5632841中所描述的(国际申请WO96/31333)，它由PAR技术公司生产，商标为NASDRIV。这样换能器14是一个主动谐振元件。换能器具有宽(W)和长(L)和安装点16的位置(X)。

换能器14的弯曲度意味着连接装置16是线形式的连接。当换能器沿穿过中心的短轴的连接线安装时，换能器的两臂的谐振频率是相同的。最佳的悬挂点可以模型化，是位于谐振元件的长度的43％至44％的连接线。在这个值时，成本函数(或“不良”测量)最小；这大约相当于长度的4/9处的连接。另外，计算模型显示这个连接点在换能器宽度范围内是有效的。第二悬挂点在谐振元件长度的33％至34％处也是合适的。

通过为安装在沿它的长度44％的位置的谐振元件绘制的成本(或rms中心比)相对于纵横比(AR＝W/2L)  的曲线图，最佳纵横比可确定为1.06+/-0.01比1，成本函数在这个值时最小。

相对于面板12的最佳安装角θ可以用两个“不良测量(measures ofbadness)”来发现最佳角度。例如，响应对数(dB)级的标准偏差是一个“粗略(roughness)”的测量。这个数字相对于本发明的优点/缺点在国际申请WO99/41839中已经描述。为优化换能器，即用纵横比1.06∶1和连接点在44％的模型，由于连位置的不对称，连接16线的转动将有一个相当大的影响。有一个参考角度为270°，即较长的一端面向左。

图25A和25B示出了一个对称形状的换能器18，谐振元件具有梯形的截面。梯形形状由两个参数决定，这两个参数是AR(纵横比)和TR(锥度比)。AR和TR决定第三参数λ，使这样一些强制条件可以满足，如线的两边质量相等。

下式是等质量(或等面积)的约束方程；

$\underset{0}{\overset{\mathrm{\λ}}{\∫}}(1+2\mathrm{TR}(\frac{1}{2}-\mathrm{\ξ}))\mathrm{d\ξ}=\underset{\mathrm{\λ}}{\overset{1}{\∫}}(1+2\mathrm{TR}(\frac{1}{2}-\mathrm{\ξ}))\mathrm{d\ξ}$

上式可方便地求出非独立变量TR或λ，给出：

或

$\mathrm{TR}=\frac{1-2\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\λ}(1-\mathrm{\λ})}$

$\mathrm{\λ}=\frac{1+\mathrm{TR}-\sqrt{1+{\mathrm{TR}}^2}}{2\mathrm{TR}}\≈\frac{1}{2}-\frac{\mathrm{TR}}{4}$

等式可以方便获得惯性力矩相等，或最小化总惯性力矩。

用于相等惯性力矩(或相等第二区域力矩)的约束方程是：

$\underset{0}{\overset{\mathrm{\λ}}{\∫}}(1+2\mathrm{TR}(\frac{1}{2}-\mathrm{\ξ})){(\mathrm{\λ}-\mathrm{\ξ})}^2\mathrm{d\ξ}=\underset{\mathrm{\λ}}{\overset{1}{\∫}}(1+2\mathrm{TR}(\frac{1}{2}-\mathrm{\ξ})){(\mathrm{\ξ}-\mathrm{\λ})}^2\mathrm{d\ξ}$

$\mathrm{TR}=\frac{({\mathrm{\λ}}^2-\mathrm{\λ}+1)(2\mathrm{\λ}-1)}{2{\mathrm{\λ}}^4-4{\mathrm{\λ}}^3+2\mathrm{\λ}-1}$

或

$\mathrm{\λ}\≈\frac{1}{2}-\frac{\mathrm{TR}}{8}$

用于最小化总惯性力矩的约束方程是：

$\frac{d}{\mathrm{d\λ}}\left(\underset{0}{\overset{1}{\∫}}(1+2\mathrm{TR}(\frac{1}{2}-\mathrm{\ξ})){(\mathrm{\λ}-\mathrm{\ξ})}^2\mathrm{d\ξ}\right)=0$

或

                         TR＝3-6λ

$\mathrm{\λ}=\frac{1}{2}-\frac{\mathrm{TR}}{6}$

成本函数(“不良”测量)绘制出40FEA的结果是在下述条件：AR的范围从0.9至1.25，TR的范围从0.1至0.5，约束λ使质量相等。这样换能器安装在质量中心。结果被制成表格，并显示出它们的最佳形状，其中AR＝1和TR＝0.3，λ的值接近43％。

tr	λ	0.9	0.95	1	1.05	1.1	1.15	1.2	1.25
										0.1	47.51％	2.24％	2.16％	2.16％	2.24％	2.31％	2.19％	2.22％	2.34％
0.2	45.05％	1.59％	1.61％	1.56％	1.57％	1.50％	1.53％	1.66％	1.85％
										0.3	42.66％	1.47％	1.30％	1.18％	1.21％	1.23％	1.29％	1.43％	1.59％
0.4	40.37％	1.32％	1.23％	1.24％	1.29％	1.25％	1.29％	1.38％	1.50％
										0.5	38.20％	1.48％	1.44％	1.48％	1.54％	1.56％	1.58％	1.60％	1.76％

梯形换能器的优点是换能器可以沿位于重量/质量的中心的连接线安装，而不是沿位于对称线的连接线安装。这样的换能器具有改善模态分布的优点，而没有惯性上的不平衡。前面所用的两种相比较的方法选择270度至300度作为最佳方向角度。

本发明所用的换能器可被看作与分布模式面板相关，例如WO97/09842中所述的，其中换能器的设计目标是一个分布模式。

Claims (26)

1.用于电子产品的触摸板组件，该组件包括一触摸板、一用于将触摸板机械地连接到电子产品外壳的连接器和一换能器，所述换能器由一连接装置安装在该连接器上或触摸板上以驱动该外壳作为声辐射器。

2.根据权利要求1所述的触摸板组件，其特征在于所述连接器为一个围绕触摸板周边的框的形式。

3.根据权利要求2所述的触摸板组件，其特征在于所述换能器被安装在所述框上。

4.根据权利要求1至3中的任一项的触摸板组件，其特征在于换能器有期望的工作频率范围并且包括谐振元件，该谐振元件在工作频率范围内具有一模式频率分布。

5根据权利要求4所述的触摸板组件，其特征在于连接装置在有利于将谐振元件模态作用耦合到连接器或触摸板上的位置被安装在谐振元件上。

6.根据权利要求4所述的触摸板组件，其特征在于选择谐振元件的参数以在工作频率范围内增强谐振元件的模式分布。

7.根据权利要求6所述的触摸板组件，其特征在于通过确保谐振元件的第一模式接近需要的最低工作频率以增强所述分布。

8.根据权利要求6或7所述的触摸板组件，其特征在于通过确保所述谐振元件的模式分布具有一个对主动元件来说足够提供一个随频率基本恒定的有效平均力的模式密度以增强谐振元件的模式分布。

9.根据权利要求6或7所述的触摸板组件，其特征在于通过在频率上基本均匀地分布谐振弯曲波模式增强所述模式分布。

10.根据权利要求6或7所述的触摸板组件，其特征在于谐振元件沿两个基本垂直的轴进行模化，在每一个轴具有相关的基础频率，并且为达到最佳的模态分布，调整两个相关的基础频率比。

11.根据权利要求10所述的触摸板组件，其特征在于两个基础频率的比为9∶7。

12.根据权利要求4所述的触摸板组件，其特征在于换能器包括多个谐振元件，每一个谐振元件具有一个模式分布，谐振元件的模式在工作频率范围内设置成交错状，增强作为一个整体装置的换能器的模式分布。

13.根据权利要求12所述的触摸板组件，其特征在于谐振元件在能增强换能器模式的耦合点处耦合在一起。

14.根据权利要求12或13所述的触摸板组件，其特征在于通过优化每个谐振元件的基础谐振频率比，增强每个换能器的模式分布。

15.根据权利要求4所述的触摸板组件，其特征在于谐振元件为盘状。

16.根据权利要求4所述的触摸板组件，其特征在于谐振元件的形状的选择是从下面一组中选择的：梁状、梯形、椭圆形、大体上的盘形或矩形。

17.根据权利要求4所述的触摸板组件，其特征在于换能器包括至少一个主动谐振元件。

18.根据权利要求4所述的触摸板组件，其特征在于换能器包括至少一个被动谐振元件和一个主动谐振元件。

19.一种电子产品，包括一主体，在主体内或主体上安装有上述任一权利要求所述的触摸板组件。

20.根据权利要求19所述的电子产品，其特征在于所述换能器同时驱动触摸板和围绕触摸板的主体，使主体作为初级声辐射器产生声输出。

21.根据权利要求20所述的电子产品，其特征在于包括至少一个安装在主体上的附加换能器。

22.根据权利要求20所述的电子产品，其特征在于所述声辐射器是弯曲波声辐射器，所述换能器是电动机械力换能器，并且其中所述换能器有一个期望的工作频率范围，并包括一个在工作频率范围内具有一模式频率分布的谐振元件和把该换能器连接到辐射器的连接装置。

23.根据权利要求22所述的电子产品，其特征在于该连接装置在有利于使谐振元件模态作用耦合到辐射器上的位置被安装到谐振元件上。

24.根据权利要求22所述的电子产品，其特征在于该声辐射器是与主体整体模制的。

25.根据权利要求22所述的电子产品，其特征在于为了增强工作频率范围内的谐振元件的模式分布，选择谐振元件的参数。

26.根据权利要求19至25中的任一权利要求所述的电子产品，它们是一次性的。

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