CN1653849B - 转换器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种具有一预期工作频率范围，其包括一具有一周边及该工作频率范围内的模式频率分布共振元件(10)的机电力转换器，支撑构件(16)耦合至该共振元件的该周边，该支撑构件(16)对于该共振元件(10)的弯曲波振动具有大致限制性。通过耦合构件(14)，所述转换器可安装于一扬声器中的一声辐射器(12)上，以激发该声辐射器产生一声音输出。

Description

转换器

技术领域

本发明涉及转换器、驱动器或激励器，特定言之但不仅限于用于声音装置(如扬声器及麦克风)的转换器。

背景技术

新型转换器有限公司的WO 01/54450号的专利申请提供一种机电力转换器，其包括具有在该转换器的工作频率范围内的模式频率分布的共振元件。可选择该共振元件的参数以提高该元件在工作频率范围内的模式分布。因此，该种转换器可视为预期模态转换器。

该种转换器可耦合至一地点，力通过耦合构件施加于该地点，而耦合构件可连接于该共振元件的有利于将该共振元件的模态运动耦合至该地点的位置。因此，如图1的范例，转换器132可包括一梁形共振元件，其通过两个短件状耦合构件136耦合至一面板134。一短件的位置朝向该梁形共振元件的一端138，而另一短件则朝向该梁形共振元件的中心。相对的一端140没有支撑，因而可自由移动。

发明内容

根据本发明，提供一种具有预期工作频率范围且包括具有该工作频率范围内的模式频率分布的共振元件的机电力转换器，其中，支撑构件耦合至该共振元件的周边，该支撑构件对于该共振元件的弯曲波振动具有大致限制性。

该种转换器可向一负载施加一力，例如激发声辐射器产生声音输出，或驱动非声音负载如喷墨打印机头。

限制该共振元件将改变其边界条件，从而影响该转换器的性能。因此，可选择该支撑构件的性质，以获得所需的转换器性能，例如可增加其带宽。该支撑构件可部分或大致上简单支撑(简支)或夹固该共振元件。该支撑构件至少可沿该周边的部分延伸及/或耦合至该周边的至少两个分立部分。

简单支撑指将该共振元件限制，以使得共振元件可围绕该支撑构件转动而不是平移。因此，该支撑构件是当作一铰链，具有零适应性(zerocompliance)。夹固表示限制该共振元件，防止其相对于该夹子转动及平移。该共振元件在该支撑构件或夹子的速度为零。在实务中，即使并非不可能但也难以实现零速度，因此，该支撑构件可接近于简单支撑或夹固。

该共振元件可以为矩形，该支撑构件可包括与该共振元件的相对边缘接合的部分。该共振元件可为大致碟片形，该支撑构件可沿部分或整个周边延伸。或者，该支撑构件可位于该周边的至少三个位置，且所述位置可环绕该周边间隔相等。该共振元件也可为三角形，该支撑构件可位于该三角形的各顶点。该共振元件还可为梯形或超椭圆形。该共振元件还可为板形，且可为平板或曲板形。

该支撑构件可为退化(vestigal)层，如合适的粘性层。该转换器可进一步包括该共振元件上的耦合构件，用于将该转换器安装至欲施加力的地点。该支撑构件可适于将该转换器安装至该地点或一单独的支架上，即使该转换器接地。以此方式，该支撑构件可提高该转换器的强度，改善其抗震能力及抗跌落冲击能力。

该支撑构件可与该共振元件整合为一体。该共振元件可为具有中心叶片的双压电晶片，该中心叶片经调整可形成支撑构件。或者，该支撑构件可为分立支架形。

可选择该共振元件的各种参数，如纵横比、弯曲劲度或厚度的几何学及各向同性或各向异性，以提高该共振元件在工作频率范围内的模式分布。可采用分析，如利用FEA或模型化的电脑仿真选择所述参数。

通过确保主动元件的一第一模式靠近所需的最低工作频率可提高分布。还可通过确保工作频率范围内的满意的(例如高的)模式密度提高分布。所述模式的密度最好足以使该主动元件提供大致上对频率恒定的有效中位平均应力。通过使该共振弯曲波模式大致上均匀分布于频率中也可提高模式分布。

该共振元件可为沿两个大致垂直轴的模态，各轴具有一相关基本频率。可调整两个基本频率之比，以获得最佳模态分布，如9∶7(～1.286∶1)。

该共振元件可为主动的，可为压电式、磁致伸缩式或驻极体装置。该压电式主动元件可为预加应力的，例如美国专利5632841的描述或可为电性预加应力的或偏压的。该主动元件可为具有一中心叶片或基板的双压电晶片或单压电晶片。该主动元件可固定于一底板或垫片，其可为一薄金属片且可具有与该主动元件相似的硬度。

该共振元件可为被动元件，并通过连接构件耦合至一主动转换器元件，该主动转换器元件可为移动线圈、移动磁铁、压电装置、磁致伸缩装置或驻极体装置。该连接构件可连接至该共振元件的有利于提高该共振元件模态运动的位置。该被动共振元件可当作短期共振储存，并可具有低自然共振频率，使其模态行为在其为该主动元件实施加载与匹配动作的范围内具有满意的密度。

该转换器可包括多个共振元件，各具有一模式分布，所述共振元件的所述模式交错排列于该工作频率范围内，因而将该转换器当作整体装置而提高其模式分布。所述共振元件可通过连接构件耦合在一起，并可排列成耦合点轴向对齐的堆叠。所述共振装置可为被动或主动装置，或为被动与主动装置的组合，以形成混合转换器。

该转换器可包括一扁平压电碟片；至少为两个或最好至少为三个扁平压电碟片的组合；两个重合压电梁；多个重合压电梁的组合；一弯曲压电板；多个弯曲压电板或两个重合弯曲压电梁的组合。

各共振元件可具有不同基本共振。通过最佳化所述共振元件的频率比即各共振元件的各基本共振频率的比，可提高各共振元件的模式分布交错。对于包括两个梁的转换器，该两个梁可具有频率比1.27∶1，对于包括三个梁的转换器，该频率比可为1.315∶1.147∶1。对于包括两个碟片的转换器，该频率比可为1.1∶1，以最佳化高等级模态密度(high order modaldesnsity)，或可为3.2∶1，以最佳化低等级模态密度。对于包括三个碟片的转换器，该频率比可为3.03∶1.63∶1或可为8.19∶3.20∶1。

该支撑构件可耦合至各共振元件的周边。或者，至少一个共振元件可不受限制，即不耦合至该支撑构件，而是可自由移动。

根据本发明的第二方面，如上所述，提供一包括一声辐射器及一模态转换器的扬声器，该转换器通过耦合构件耦合至该声辐射器，以激发该声辐射器产生声音输出。该耦合构件可为退化(vestigal)层，如受控的粘性层。该共振部件大致上可为声音不主动的。

在该第一及第二具体实施例中，该耦合构件可形成一连接线或连接点或局部连接小区域，其中该连接区小于该共振元件的尺寸。该耦合构件可包括连接点及/或连接线的组合。或者，仅提供单一耦合点。藉此该共振元件或各共振元件的输出通过该单一耦合构件而不是该声辐射器相加。该耦合构件可连接至该共振元件的有利于将该共振元件的模态运动耦合至该地点或声辐射器的位置。

可选择该耦合构件位于该共振元件上的反节点(anti-node)，并可选择按频率提供恒定平均力。该耦合构件可位于该共振元件的中心或远离中心的位置。

该转换器的机械阻抗可匹配该负载即该声辐射器的机械阻抗。可选择该转换器的边界条件以提供所需的转换器机械阻抗。该转换器可安装至一第二负载，如一面板，其确保主负载与该转换器之间的阻抗匹配。该第二负载上可打孔，以防止从中发出声辐射。

该扬声器至少在其部分工作频率范围可为预期活塞式(intendedlypistonic)，或者可为弯曲波扬声器。可选择该声辐射器的参数以提高该共振元件在工作频率范围内的模式分布。该扬声器可为共振弯曲波模式扬声器，其具有一声辐射器及固定于该声辐射器的一转换器，用以激发共振弯曲波模式。国际专利申请WO 97/09842及其它专利申请及出版物说明了此类扬声器，也可称为分布模式扬声器。

该声辐射器可为面板式。该面板扁平，重量轻。该声辐射器的材料可为各向异性或各向同性。可选择该声辐射器的特性，以便大致上在频率内均匀分布共振弯曲波模式，即平滑由模式“聚束”或聚类引起的频率响应峰值。特定而言，可选择该声音辐射器的特性来大致上在频率内均匀地分布较低频率的共振弯曲波模式。

可选择该转换器的位置以大致均匀耦合至该声辐射器的该共振弯曲波模式，特别是，耦合至较低频率共振弯曲波模式。换言之，该转换器可安装在声辐射器中振动主动共振反节点数目相当高，以及相反地该共振节点的数目相当低的位置。

根据本发明的第三方面，提供一具有一机体并包括如上所述安装在该机体中一扬声器的电子装置。该支撑构件可安装至该机体。该电子装置可为移动电话。该支撑构件可自该移动电话机壳中伸出。该支撑构件可模制为该机壳的部分，或在装配入该机壳前固定于该或各共振元件。

该工作频率范围可覆盖较宽的频率范围，并可为音频范围及/或超音波范围。还有声纳及声音测距及成像应用，其中，由于分布模式转换器的工作，可使用更宽的带宽及/或可能更高的功率。因此，在比单一主频率决定的范围更大的范围内工作，可实现该转换器的自然共振。该工作频率范围的最低频率最好高于预定下限，该下限约为该转换器的基本共振频率。

附图说明

本发明可通过附图中的实例概括说明，其中：

图1为一扬声器的断面图，该扬声器包括根据先前技术的一转换器；

图2为依据本发明的第一方面的一转换器的断面图；

图3为图2的转换器与类似于图1的一已知先前技术转换器比较所获得的功率与频率关系图表；

图4为根据本发明另一方面的一移动电话的部分的正面图；

图5与6为沿图4中AA与BB线的断面图；

图7至9为替代转换器的断面图；

图10为一图表，显示与图7至9的转换器类似的一转换器的速度与力及频率之间的关系；

图11为依据本发明的另一方面的一转换器的断面图；以及

图12为依据本发明的另一方面的一转换器的断面图。

附图代表符号说明

132转换器

134面板

136耦合构件

138，140梁的端部

10梁

12辐射器

14耦合构件

16支撑构件

30移动电话机壳

32第一梁

34第二梁

36连接构件

38声辐射器

40耦合构件

42电连接

44a，44b第一对支座

46a，46b第二对支座

50第一梁

52第二梁

54短件

56声辐射器

58短件

60，62中心叶片

64，68上压电元件

66，70下压电元件

72支架

74支座

76连接器

78支座

80框架

81梁

82中心叶片

84上压电层

86下压电层

88声辐射器

90中心短件

92电连接

94面板

104连接短件

106梁

具体实施方式

图2显示一转换器，其包括一36mm压电梁10型式的共振元件，该元件透过短件型式的耦合构件14连接至一声辐射器12，该短件型式的耦合构件是沿该梁10的中心安装。该梁10的两端连接至支撑构件16，藉此，该梁10的两端被简单支撑(simply supported)。因此，与图1的先前技术转换器比较，该梁10没有一端可自由移动。简单支撑该梁减少其惯性，因而增加其抗撞击及跌落冲击的能力。

图3的虚线及实线分别显示图2的转换器具有及不具有连接器时的功率输出。简单支撑该梁的两端可使该梁强固，因而提高其基本频率。但是，与直觉相反，简单支撑大大改善了转换器的低频率性能(即低于500Hz)。但是，中高频率即高于750Hz的频率范围一般会产生功率下降。

图4至6显示根据本发明的安装于移动电话的转换器。该转换器包括第一及第二压电梁32、34，此二梁通过短件型式连接构件36耦合在一起。该第一梁32长于该第二梁34。该移动电话的机壳30包括一声辐射器38，其也可当作显示屏。该转换器通过短件型式耦合构件40耦合至该声辐射器38，并激发该声辐射器38产生一声音输出，以响应电连接42接收到的信号。该电连接42通过该短件连接至各梁。该耦合构件40及该连接构件36是轴向对齐，并安装于各自梁的中部。

该机壳30包括由四个延伸指状支座44a、44b、46a、46b构成的支撑构件，所述延伸支座从该声辐射器38的下部的机壳30延伸。第一对支座44a、44b支撑该第一梁32的各端，而第二对支座46a、46b则支撑该第二梁34的各端。各支座的两端与各梁的两端对齐。所述梁是固定于(如粘着于)各自的支座，因此，可提供接近于简单支撑所述梁各端的边界条件。

图7至9显示了所述梁端顶的替代排列方式。各种排列共用的元件参考数字相同。该转换器可用于图4的移动电话或其他应用中。

在图7至9中，该转换器包括第一与第二梁50、52，由安装于中部的短件54耦合。该第一梁50通过一短件58连接至一声辐射器56。各梁包括一中心叶片60、62，其夹于等长的上部与下部压电元件64、66、68、70之间。该声辐射器可为面板式。

在图7与8中，各梁50、52的中心叶片60、62是长于各梁的上部与下部元件，并提供支撑构件。在图7中，所述中心叶片60、62自该声辐射器56向外弯曲，并连接至一支座或支架72。该排列特别适合于面积远大于转换器面积的声辐射器。两种排列方式均接近大致上简单支撑所述共振元件。

在图8中，该声辐射器56安装于沿其周边延伸的支座74。所述中心叶片60、62向该声辐射器56弯曲，并连接至自该支座74向内延伸的连接器76。与图7相比，该第二梁52长于该第一梁50。该排列特别适合于尺寸与转换器类似的声辐射器，并为转换器及声辐射器提供同样的边界条件。以此方式，简化了装配，因为该转换器与辐射器可组合于一副总成中，无需将该转换器连接至地平面(如机壳)及连接至该声辐射器。

在图9中，所述中心叶片60、62是与各梁的上部与下部元件共同延展。各梁50、52的两端固定于相应支座78，该支座将所述梁连接至一框架80。所述梁50、52固定于该支座78的浅槽中，因而，所述支座沿该梁长度的延伸不超过5％。以此方式，即达到了简单支撑与简单夹固(即部分夹固)之间的边界条件。该排列特别适合于较大的声辐射器。所述支座78可载送电连接，提供驱动该转换器的信号，从而无需软电线。将支座推到梁上可获得必须的电接触。

图10显示简单支撑的双梁转换器1kHZ时力与速度的关系。以无负载来计算该速度最大值，以负载不动来计算该力最大值。对角线显示最佳负载，即获得最大功率转换时的负载。如图所示，当力与速度约为其最大值的70％时即出现此最佳值。

通过将该负载的机械阻抗与该转换器相匹配，可实现随频率的较平缓的功率、力与速度变化，该频率可下延至300Hz及的下区域。相反，若负载阻抗不匹配，例如太高或太低，则功率转换可能下降10倍。降低负载阻抗也可能引起过低频率模式，如约500Hz。简单支撑所述端部增加了该转换器的机械阻抗。对于双梁转换器，移除其中一梁可抵消机械阻抗的增加，因而，该转换器保持与负载阻抗相匹配。换言之，一简单支撑的单梁转换器可能具有与无双梁转换器大约相同的阻抗。

图11显示了实现负载阻抗与转换器阻抗相匹配的另一排列方式。该转换器类似于图7所用的转换器，其包括一单梁81，该梁具有夹于上压电层与下压电层84、86之间的一中心叶片82。该上压电层84通过一中心短件90连接至一主负载，即一声辐射器88，所述层84、86均由电连接92驱动。

该中心叶片82长于二压电层，其两端弯曲以连接至一第二负载，即面板94。所述弯曲端与该面板94共同形成该梁的边界条件。该面板用作所述梁端的接面(admittance)，并经选择使该转换器的阻抗与该声辐射器88的阻抗匹配。该面板94可凿孔，以有效防止其在保持其机械阻抗时辐射声音。

将该转换器与一具有未限制共振元件的转换器组合可克服限制该梁端部时产生的功率损失。例如，图12显示具有一梁50的一第一转换器，其端部限制于支座78内，一第二转换器包括一梁106，其通过一连接短件104安装于该第一转换器50。该第二转换器106的端部未受限制。两个转换器的功率经短件58相加，以驱动该声辐射器56。以此方式，该组合的声音输出得益于该受限转换器的低频延展及该未限制转换器在中高频率的较高输出。

Claims (21)

1.一种机电力转换器，具有一预期工作频率范围，并包括

一主动共振元件，具有一周边，并具有该工作频率范围内的频率分布模式，该共振元件的参数选择成用于增强该共振元件中的模式分布，

简单支撑构件，耦合至该共振元件的该周边，该支撑构件相应于该共振元件的弯曲波振动具有大致限制性，以扩展转换器的工作频率范围，和

该共振元件上的耦合构件，位于该共振元件的中心或远离中心的位置，用于将该转换器安装至欲施加力的地点。

2.如权利要求1的转换器，其中该支撑构件耦合至该共振元件的该周边的至少两个分立部分。

3.如权利要求2的转换器，其中所述分立部分位于该共振元件的该周边上大约相反的位置。

4.如前述任一权利要求的转换器，其中该支撑构件至少沿该共振元件的部分该周边延伸。

5.如权利要求1-3中任一项的转换器，其中该共振元件为平面的。

6.如权利要求1-3中任一项的转换器，其中该支撑构件适于使该转换器接地。

7.如权利要求1-3中任一项的转换器，其中该支撑构件与该共振元件整合为一体。

8.如权利要求1的转换器，其中该共振元件为一压电装置。

9.如权利要求8的转换器，其中该共振元件为具有一中心叶片的双晶片压电装置，该中心叶片形成该支撑构件。

10.如权利要求1-3中任一项的转换器，其中该共振元件是沿两个大致垂直轴的模态，各轴具有一相关的基本频率。

11.如权利要求1-3中任一项的转换器，其特征在于，其包括多个共振元件，各共振元件具有一模式分布，所述共振元件的所述模式交错排列于该工作频率范围内，以将该转换器当作一整体装置而提高其模式分布。

12.如权利要求11的转换器，其中所述共振元件通过连接构件耦合在一起，并排列成耦合点轴向对齐的堆叠。

13.如权利要求11的转换器，其中该支撑构件耦合至各共振元件的该周边。

14.如权利要求11的转换器，其中至少一个共振元件不受限制。

15.一种包括一声辐射器及前述任一权利要求的一转换器的扬声器，该转换器通过耦合构件耦合至该声辐射器，以激发该声辐射器产生一声音输出。

16.如权利要求15的扬声器，其中该共振元件大致上为声音不主动的元件。

17.如权利要求15或16的扬声器，其中该转换器的机械阻抗与该声辐射器的机械阻抗匹配。

18.如权利要求17的扬声器，其中该转换器安装于一第二负载，该第二负载确保该声辐射器与该转换器之间的阻抗匹配。

19.一种具有一机体且包括一安装于该机体内如权利要求15至18中任一项的扬声器的电子装置。

20.如权利要求19的电子装置，其中该支撑构件安装于该机体上。

21.如权利要求19或20的电子装置，其中，其为一可携式蜂窝电话的型式。

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