CN1729715B - 声致动器 - Google Patents

Abstract

一种声换能器，包括一个响应音频输入信号而沿第一轴线改变长度的有源元件(21)，该元件被设置在惯性块(20)和底座(24)之间，该底座在使用中接合到表面，从而将由所述有源元件产生的音频振动传送到所述表面；其特征在于，所述底座被铰链(25)连接到所述惯性块，并且在使用中，所述有源元件这样位于所述底座和惯性块之间，使得所述第一轴线和所述表面的夹角小于90°。还公开了这样的声致动器，其包括具有两个层叠线圈的磁致伸缩元件，或包括两个磁致伸缩元件，所述线圈或元件具有相互不同的频率响应，以获得更宽的带宽。

Description

声致动器

技术领域

本发明涉及声致动器，例如用于驱动平板型发声器的类型。

背景技术

使用有源元件的直接驱动致动器是众所周知的，其中所述有源元件为磁致伸缩材料棒。在我们的公开国际申请WO 02/076141中公开并要求了这种致动器的实例。构造这些致动器的方法意味着，尽管它们提供较大的力，但是其物理轮廓与某些应用不适应。可以将例如压电元件的其它有源元件引入致动器，所述致动器具有平面或狭窄的轮廓并可适用于许多磁致伸缩致动器所不适用的应用。但是压电致动器提供较小的力，需要约100v的高电压，并且不适用于频率低于1KHz的声应用。由于这些原因而不能使用压电致动器。虽然可以使用提供更大力的层叠压电致动器，但是这些致动器比较昂贵，难于制造并且可靠性差。叠层的高度还会产生不理想的轮廓。用于提供大力的小型致动器的可能解决方案是，如US-A-4845688所公开的，使用弹性张力的套壳围绕有源元件，所述有源元件可以是磁致伸缩或压电致动件(engine)，但是所述致动器对于许多应用场合仍然过于庞大。

常规的轴向设置的致动器通常需要一个内置的环形弹簧提供预张力，以优化有源材料的性能，所述有源材料例如磁致伸缩材料或压电材料。通过实验和试验发现，尤其当其被小型化时，这种装置产生的输出声音信号会通过环形弹簧发生变形，而使被驱动的表面发生不可预知的拉伸，从而导致破坏音频输出的偏差(off square)的输出力。

不同结构的声致动器产生不同的频率带宽。通过使用每个驱动一个表 面、或分开驱动同一表面的多个不同的致动器，已经实现了较宽的带宽。本发明描述了在单个致动器中结合不同结构的特征以达到较宽带宽的不同方法，从而改善音频输出，同时降低制造和安装的总成本。另外公知的是，在单个致动器中结合不同材料，例如压电和磁致伸缩材料，以在特定应用中产生特定的输出力和频率。

众所周知，在磁致伸缩致动器中，线圈的设计和磁致伸缩材料块的尺寸影响了致动器在任一表面上的频率响应和音量输出。另外，致动器可以由单个线圈叠层构造，其中磁体在叠层中的线圈之间。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种声换能器，其包括有源元件，所述有源元件响应音频输入信号而沿第一轴线改变长度，该元件被安装在惯性块底座之间，所述底座在使用中接合到表面，从而将由该有源元件产生的音频振动传送到该表面，其特征在于，所述底座被铰连到所述惯性块，并且所述有源元件这样位于所述底座和惯性块之间，使得在使用中所述第一轴线和所述表面的夹角小于90°。根据本发明的换能器的有源元件可以是任何在外部作用下改变长度并通过这样可以发出较大的力的材料。例如可以是层叠的压电元件或磁致伸缩元件，或二者的组合。

在普通结构的磁致伸缩直接驱动致动器中，致动器的高度与线圈长度和磁致伸缩元件有关。在使用磁致伸缩有源元件的横向轴线杠杆式致动器中，致动器的总高与线圈的横截面有关，而与线圈长度无关，在致动器最短轴线的方向上提供力，该方向与磁致伸缩元件或线圈的长度方向垂直，从而该装置轮廓明显小于传统的直接驱动轴线装置。在层叠的压电致动器中，通过压电叠层的横截面尺寸将所述致动器的全高控制在某种程度，并且垂直于位移方向提供所述装置的致动力。相比于目前使用的小型压电致动器，这种小型或杠杆式辅助致动器将适用于提供改善音频带宽和音量的装置中，或者所述致动器可以被设置在这样的装置中，所述装置当被放置 在表面上时用于作用所述表面。这类装置例如可以是个人计算机、个人数字助理、CD和MP3播放器以及移动电话。

已经发现，通过在一个轴线上引入刚性材料的控制杆铰链，所述控制杆铰链只可以以受控的不可预知的方式仅在一个轴线上弯曲，或者提供直接驱动或者提供垂直的或其它角度的输出，则可以降低由于在常规换能器中使用环形弹簧而导致的变形，从而改善了音频输出。

其它优点是，当有源元件作用于惯性块时具有良好的机械效果，从而增加了装置响应的动态范围。结果，可以使用较少的有源材料(通常较昂贵)来形成高质量、大范围的音频输出信号。

通过示例可以发现，当在测试平板上测量时，通过这种方法制造的、并在致动平板的方向上尺寸为6mm磁致伸缩致动器能产生相当于尺寸为30mm的直接驱动磁致伸缩致动器的声音输出，并且使用了更少量的磁致伸缩材料。该致动器比直接驱动致动器在将有源元件的位移转换为平板表面的移动方面更加有效，并且具有更小的变形和更宽的动态范围。

根据本发明的另一方面，提供了一种磁致伸缩致动器，包括在至少两个层叠的电磁线圈作用下的磁致伸缩元件，叠层中的每个线圈与叠层中的另外一个或多个线圈的频率响应不同，这些线圈被同时激励，由此该致动器的频率带宽比当所有层叠的线圈规格相同时更大。

这些线圈彼此的绕线匝数、绕线厚度和/或绕线电阻均不相同。输入每个线圈的信号也可以或可选地被分别控制。

本发明的另一个方面提供一种用于将声音信号导入平板的声致动器，包括一个响应音频输入信号而改变长度的第一有源元件，该元件被安装在惯性块和底座之间，所述底座在使用中接合到表面，从而将由所述有源元件产生的音频振动传送到所述表面，其特征在于，第二有源元件这样被设置在所述块和底座之间，该第二有源元件具有与第一有源元件不同的频率响应。

第一有源元件优选包括磁致伸缩材料，而第二有源元件也包括磁致伸缩材料。

本发明该方面的声致动器还可以包括附加的高频致动器，例如一种用于传统扬声器中的动圈致动器。

在本发明的另一实施例中，第二有源元件包括弹性轭，其被设置为使得磁致伸缩元件的伸长和收缩导致轭在磁致伸缩元件的纵轴线的横向上向内和向外移动。

本发明的另一个方面提供了一种用于将声音信号导入主要平板的声致动器，其包括具有有源元件的第一驱动器，该有源元件响应音频输入信号而改变长度，该驱动器被安装在惯性块和底座之间，所述底座在使用中接合所述平板，从而将由该有源元件产生的音频振动传送到所述平板，其特征在于，第二驱动器被耦合到次要平板，所述次要平板小于所述主要平板并由第二驱动器支承。

所述第一驱动器适于为磁致伸缩装置，而第二驱动器适于为高频驱动器，所述高频装置例如通常在常规扬声器中出现的类型的动圈装置。

优选的是，所述装置包括反应块，在其第一表面中具有凹槽，在所述凹槽中设置有第一驱动器，所述反应块还包括与第一表面相对的第二表面，在第二表面上安装有第二驱动器，在所述凹槽和第二表面之间包括用于连通的通道。

意外地发现，在所述凹槽内部和反应块外表面之间设置的开口或通道，显著增强了包括该装置的平板扬声器的低音响应。已经发现直径为约4mm的圆形通道是有利的，不过其它结构也可以是有利的。

附图说明

在附图中，示出了本发明的示例实施例：

图l是本发明第一实施例的侧视图；

图2是可选实施例的类似图；

图3是对应于图2的视图，但是示出了可能的修改；

图4和图5分别是另一实施例的侧视图和透视图；

图6是另一实施例的侧视图；

图7-9是示出根据本发明另一方面的可选线路布局的电路图；

图10是根据本发明另一方面的致动器的侧视图；

图11-15是图10所示的致动器的可选实施例；

图16是根据本发明另一方面的扬声器装置的侧视图。

具体实施方式

首先参考图l，将有源元件11基本水平地安装在惯性块或背块10上，该块通过用作固态铰链的弹性板15被附接在底座14上。支承板16垂直于铰链地延伸并与装在有源元件11末端的支承曲面12接合。在支承板16和背块10之间设置片弹簧13，以便向有源元件施加控制的预张力。有源元件从而水平驱动，并且致动器通过铰链将这种移动转换为垂直作用力，该铰链优选是固态铰链，以减少能量损耗。由于包括小振幅的移动，具有销栓和/或支承面的铰链会产生不希望的损耗。支承曲面12可以是所述元件的部分，或者更有利地是单独的低柔性(compliance)材料块。

在磁致伸缩有源元件的情况下，对于给定的力和磁致伸缩棒的横截面积，通过改变磁致伸缩棒横截面的尺寸使横截面不再是方形或圆形而成为矩形或椭圆形、并通过使用椭圆形线圈，可以进一步降低致动器的高度。而且，通过使用横截面积更大的磁致伸缩棒，但保持横截面的一个尺寸不变，并伴随矩形或椭圆形磁致伸缩材料使用椭圆线圈，从而可以在不增加致动器高度的情况下增大所述力。可以理解，在磁致伸缩元件的各个侧面设置单独的线圈，也可以形成小型致动器，但是相比于围绕在单个材料芯上的单个线圈的输出，其输出会减小。

在图2所示实施例中，有源元件21在背块20和底座24的竖立构件之间延伸。位于该竖立构件和背块的相邻部分之间的螺旋弹簧23控制施加给元件21的预张力，所述元件可以被固定在竖立构件上并通过支承曲面22与背块接合。

固态铰链15或25由低柔性材料构成，例如是弹簧钢或高级刚性工程聚合材料，并且，为了减少能量损耗，使包括铰链的材料的厚度与从支点 到将铰链材料附接在底座杠杆上的点的距离之比保持在一定范围内。

这样，致动器具有较小的轮廓并仍能提供只比直接驱动致动器略小的较大力。并且，可以将该装置设置为提供可变的机械放大，从而以更加可控和可预知的方式提供可变力。为说明这点，图3示出了对图2所示装置的修改，图中相同的部件用同样的标号表示。通过朝向(如在27)和远离(如在26)支点移动在致动器底座24和被驱动表面之间的接触点26、27，可以实现可变的机械放大。为了优化装置的输出，在改变接触点的同时也需要改变背块20的位置。机械放大值可以小于、等于或大于1。这种设计可以按比例变化(scalable)，并可以用更大的尺寸制造具有宽频带和更低变形的更高功率的装置。

改变这种小型致动器的机械放大会改变与其连接的装置的频率响应。通过向支点移动底座的接触点实现的较低机械放大加重了高频部分，而通过远离支点移动底座的接触点实现的较高机械放大加重了低频部分。在音频装置中这意味着频率响应会根据应用而改变。例如，在扩音应用中低于200-300Hz的频率是不希望的，因为这会使语音难以理解，但在其它应用中，例如听音乐，则需要低频率。

在本发明的另一实施例中，驱动元件的致动方向可以与被致动表面成任何角度，如图4、5所示的45度。在该设计中底座42的块较小。该设计表现为更加可预知，并且发现，与具有相同数量有源材料的轴向直接驱动装置相比，其能提供更大的输出。应该尽量远离支点45地安装背块40，这样在该设计的整个外壳内，背块的有效质量会尽可能地增加，并且致动器的一个尺寸应该不大于有源元件致动件44的横截面，以使致动器轮廓适用于需要窄或低的轮廓的应用中。

在音频应用中发现，增大背块10、20或40会增加低音响应。但是，如果根据图1设置背块，可能由于弹性损耗，装置效率降低，并且发现音量和频率响应也降低。根据图2或3设置背块可以提高效率以及音量和低音响应。

除了可以增加低音响应外，增大背块还可以增加装置产生的整体音量 等级。如图6所示，通过把底座46设置在背块48的中心，可以进一步优化音量等级。同样，背块48通过平板铰链47连接到底座46，但是在该实施例中，底座46是前述实施例中同样功能部件的扩展。有源元件49在该部件的竖立构件和背块48之间延伸，同样通过支承曲面50提供与背块的非附接式的支承接触，而弹簧51同样控制施加在元件49上的预张力。

通过使用可拆卸块，可以减少装置的整体轮廓和重量。用于产生所需的音量和低音等级的背块可以被提供辅助部件，如电池、电路和装置的底盘/外壳等。

底座的设计对于把装置耦合到驱动表面上非常重要，并且可以在一定程度上影响装置的音量等级和音质。例如轮廓、材料和密度的设计特征都是需要考虑的因素。

现在参考图7、8和9，通过用具有不同频率响应特征的两个或多个线圈围绕磁致伸缩元件，可以增加磁致伸缩致动器的频率范围。这样，根据输出的需要，通过用于加强频谱不同部分的多个装置，可以变化磁致伸缩致动器的输出。例如，如图7所示，可以将电位计跨接在两个线圈上，以改变每个线圈的电流，或者如图8和9所示，可以对每个线圈均连接电位计以代替如图7所示改变线圈之间的平衡，从而可以单独调节每个线圈。电位计的设定值可以在制造时被固定，也可以通过用户的接触而可变化，其以同样的方式在常规扩音器/扬声器设备中用作音调控制装置。

线圈可以卷绕在不同的线轴上，或绕在同一个线轴上。如果是绕在同一个线轴上，线圈可以被共轴卷绕，或被卷绕在分开的层上或线轴的不同端部上。

可用来改变致动器的频率响应的另一个变量是改变磁致伸缩材料的尺寸，或改变磁致伸缩材料的组成，并且在组合的致动器的每个部分中具有不同的材料尺寸、或不同的磁致伸缩材料、以及不同的线圈。线圈和驱动元件可以如图13所示并排设置，或者是在更常见的设置中的一个层叠在另一个的上面。

另一个变量是具有如图10、11和12所示的组合的弹性张力 (flextensional)和直接驱动致动器，其中根据希望的输出选择线圈和磁致伸缩材料的尺寸。已经发现，图10所示的结构是最优的，但是在图11所示的另一结构中，直接驱动元件可以位于弹性张力驱动元件的上面，或者如图12所示将驱动元件并排设置。首先详细参考图10，致动器包括由含有驱动器105的主体104组成的常规磁致伸缩致动器，其中驱动器105包括磁致伸缩元件，所述磁致伸缩元件被电磁线圈围绕、具有永磁体以提供初始偏磁、并且还具有为元件提供预张力的弹簧。弹性张力元件包括具有中央开口部分的弹性形变轭102，在所述开口部分中这样设置磁致伸缩驱动器103，使得磁致伸缩元件的伸长将中央开口部分的两个部分向外推。所述轭还具有两个连接到中央部分的外臂，其使得，所述中央部分的纵向形变使所述外臂在磁致伸缩元件的伸长轴的横向上向内和向外地移动。将有源元件103和105设置在形成装置的背块的外壳101中，其中由螺钉100形成连接，使得，在图10所示实施例中，将轭102的外臂附接在机壳101和直接驱动致动器的主体104上，从而把两个致动器的联合作用耦合到装置所在的表面上。图11和12示出了可选装置。在图11中，直接驱动和弹性张力致动器的位置在垂直方向上简单地反转，而在图12所示的实施例中，两个致动器通过螺钉连接100被并排安装在较宽的外壳101中，同时通过螺钉100在其最底面被固定到单独的底座106上。

图13示出了另一个可选实施例，其中两个直接驱动致动器132和134分别包括磁致伸缩驱动器133和135，其被构造和设置为具有不同的频率响应，并同样利用螺钉连接被并排安装在外壳131和共同的底座136之间，以用于传输音频振动。

图14和15示出了本发明的另一个变化，其中一个致动器是根据本发明第一方面的横向杠杆式致动器，其与另一种具有不同频率响应的致动器相结合。在图14所示实施例中，所述装置包括根据图10所述的弹性张力致动器140，其通过螺钉130被安装在外壳131和单独的底座136之间。底座136上还装有根据图2所述的类型的杠杆式致动器141，其通过一个或多个螺钉被附接在底座上。在图15所示的实施例中，用直接驱动致动器 150代替弹性张力致动器140。

图16示出了根据本发明另一方面的装置，其中，将传统扬声器的动圈式驱动器添加到磁致伸缩装置上，以与在常规扬声器系统中使用高频扬声器基本相同的方式改善高频响应。该装置包括普通常规的磁致伸缩音频致动器160，其具有接合到平板162的表面的底座161，该底座161将声波导入该平板，这样平板162响应提供给装置的音频信号而发出声音。将致动器160安装在反应块163的下表面的凹槽中，而通过弹性固定件165将高频驱动单元164安装在块163的相对的面上，其中弹性固定件165用于减少在两个装置之间的振动的机械传递。高频驱动单元164包括通常用于常规扬声器中的类型的动圈驱动器166，其被耦合到重量较轻的平板167上，平板167例如由刚性低密度板形成。在反应块163中设置开口168，该开口在所述凹槽内部和安装驱动单元164的表面之间延伸。意外地发现，提供开口或通道168显著增强了包括本装置的平板式扬声器的低音响应。该开口的第二个作用是提供动圈驱动器166和磁致伸缩致动器160之间的电连接通道。

二元致动器可以控制低音和高音，而三元致动器可以控制低音、中音和高音。可以将这些控制结合到装置中或设置于外部跨接(crossover)电路中，以分离输入信号并将频率只分配给装置的选定有源元件。另外，还可以在同一致动器中组合多个分立的单元。

Claims (10)

1.一种声换能器，包括有源元件，所述有源元件响应音频输入信号沿第一轴线改变长度，所述元件被安装在惯性块和底座之间，所述底座在使用中接合将被驱动的表面，从而将由所述有源元件产生的音频振动传送到所述表面；所述声换能器的特征在于，所述底座被铰链连接到所述惯性块上，以及，所述有源元件这样位于所述底座和所述惯性块之间，使得在使用中，所述第一轴线和所述表面的夹角小于90°。

2.根据权利要求1所述的声换能器，其中所述夹角是45°或更小。

3.根据权利要求2所述的声换能器，其中在使用中，所述第一轴线基本平行于所述表面延伸。

4.根据权利要求1，2或3所述的声换能器，其中所述惯性块和所述底座之间的连接包括弹性形变材料。

5.根据权利要求4所述的声换能器，其中所述弹性形变材料是低柔性材料。

6.根据权利要求5所述的声换能器，其中所述材料是弹簧钢。

7.根据权利要求1或2所述的声换能器，其中所述底座设置在所述惯性块的中心。

8.根据权利要求1或2所述的声换能器，其中所述惯性块包括所述换能器的电池、电路和外壳中的一个或多个。

9.根据权利要求1或2所述的声换能器，其中所述有源元件包括磁致伸缩材料。

10.根据权利要求1或2所述的声换能器，其中所述有源元件包括压电材料。

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