DE60221857T2

DE60221857T2 - Akustischen Miniwandler

Info

Publication number: DE60221857T2
Application number: DE60221857T
Authority: DE
Inventors: Claus Erdmann Fürst; Leif Johannsen; Lars J Rn Stenberg
Original assignee: Sonion AS
Current assignee: Sonion AS
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2022-09-11
Also published as: DE60221857D1; ATE370633T1; WO2003024149A1; EP1425934A1; US20030048911A1; CN1554208A; EP1425934B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen akustischen Miniwandler, insbesondere auf einen Minilautsprecher mit eingebauten Komponenten, um akustische Anomalien aktiv zu kompensieren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Minilautsprecher werden weitgehend in einer Reihe von unterschiedlichen kleinen tragbaren Einrichtungen, wie Mobiltelefonen, Musikplayers, Minicomputern, Hörgeräten, Kopfhörern, tragbaren Ultraschallgeräten usw., wo es auf eine kleine Grösse ankommt, angewendet. Benutzer solcher Einrichtungen schätzen deren kleine Grösse, doch würden sie bevorzugen, bei der Tonqualität bei gewünschten Lautpegels keine Kompromisse zu schliessen. Die kleine physische Grösse des Minilautsprechers beschränkt jedoch die maximale mechanische Ausgangsleistung des Lautsprechers. Diese Einrichtungen sind außerdem normalerweise batteriebetrieben, was weiter die Menge von elektrischer Energie beschränkt, die für den Betrieb des Minilautsprechers vorhanden ist. Folglich wird der Minilautsprecher oft an die Grenzen seiner mechanischen Leistungsfähigkeiten getrieben, um die mechanische Leistung zu maximieren. Durch Überlastung eines Minilautsprechers werden die Komponenten des Minilautsprechers mechanisch beansprucht, was negative Auswirkungen auf die Lebensdauer des Lautsprechers und insbesondere auf seine Tonqualität hat, indem Verzerrung, Resonanz und sonstige unerwünschte akustische Anomalien hervorgerufen werden.
Solche akustische Anomalien können durch eine Änderung des Designs des Minilautsprechers verringert werden, doch können Änderungen am Design kostspielig sein und erfordern gegenseitige Abstimmungen vieler konkurrierender Überlegungen zum Design. Darüber hinaus können unterschiedliche Kunden unterschiedliche Ansprüche stellen. Beispielsweise ist die Tonqualität in einem Mobiltelefon nicht so entscheidend wie die Tonqualität in einem tragbaren Musikplayer. Diese sich verändernden Anforderungen würden für jeden einzelnen Fall ein anderes Design erfordern, was die Gesamtkosten für die kundenspezifische Herstellung von Minilautsprechern erhöht.
Die Integration von elektronischen Betriebsschaltkreisen in die Minilautsprecher ist eine Art, um einigen Einschränkungen beim Design gerecht zu werden. Es besteht das Bedürfnis an einem Minilautsprecher mit einem elektronischen Stromkreis, der eingebaute Komponenten aufweist, die akustische Anomalien aktiv kompensieren.
Desweiteren ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, das Risiko zu verringern, dass Drahtenden einer Spule eines Wandlers während des Betriebs gebrochen oder beschädigt werden.
In US-A-5 193 116 wird ein elektroakustischer Wandler mit einem integrierten Verstärker gezeigt. Der Verstärker ist jedoch nicht geeignet, akustischen Anomalien auszugleichen.
In DE 196 20 692 wird ein Lautsprecher mit einem integrierten Schaltverstärker gezeigt. Um die vom Verstärker emittierten elektromagnetischen Wellen zu dämpfen, wird die Membran des Lautsprechers metallisiert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird vom unabhängigen Anspruch 1 definiert. Spezifische Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorangehend geschilderten sowie weitere Vorteile der Erfindung werden nach Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und in Bezug auf die Zeichnungen ersichtlich.
1a ist eine perspektivisch auseinandergezogene Ansicht eines Minilautsprechers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1b ist eine perspektivisch auseinandergezogene Ansicht von unten des in 1a dargestellten Minilautsprechers.
1c ist eine Aufsicht auf den in 1a und 1b dargestellten Wandlers und veranschaulicht den stationären Teil des Motors.
1d ist eine Aufsicht auf die in 1a und 1b dargestellte Spule des Wandlers, in einer Zwischenstufe der Fertigung.
2 ist eine seitliche Querschnittsansicht des in 1 dargestellten Minilautsprechers.
3 ist ein funktionales Blockdiagramm eines Minilautsprechers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein funktionales Blockdiagramm eines Minilautsprechers gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein funktionales Blockdiagramm eines Minilautsprechers gemäß einer nochmals anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Während die Erfindung unterschiedlich modifiziert werden und alternative Formen haben kann, sind spezifische Ausführungsformen durch Beispiele in den Zeichnungen gezeigt worden und werden hierin eingehend beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die bestimmten beschriebenen Formen begrenzt werden sollte. Die Erfindung wird eher alle Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen, die innerhalb des Bereichs der Erfindung liegen, decken, wie in den angehefteten Ansprüchen definiert.
BESCHREIBUNG DER VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1a–1b zeigen auseinandergezogene Darstellungen eines Wandlers 10, der im Allgemeinen einen Motor einschließt, der einen magnetischen Kreis 20 und eine Spule 30 umfasst, die eine Membran 40 und einen elektronischen Stromkreis 60 antreiben, der sich an der unteren Oberfläche der Membran 40 befindet. Der magnetische Kreis 20, die Spule 30 und die Membran 40 befinden sich in einem Gehäuse 50. In der dargestellten Ausführungsform ist das Gehäuse 50 im Allgemeinen rechteckig, doch kann es in alternativen Ausführungsformen im Allgemeinen zylindrisch, kreisförmig oder mehreckig sein. In diesen alternativen Ausführungsformen sind der magnetische Kreis 20 und die Membran 40 im Allgemeinen kreisförmig oder mehreckig, um in den durch das Gehäuse 50 definierten Hohlraum zu passen. Das Gehäuse 50 kann aus einem elektrisch leitenden Material, wie Stahl oder Aluminium, oder aus einem metallisierten nicht leitenden Material, wie mit Metallpartikeln beschichteten Kunststoffen, bestehen. Die Metallisierung des Gehäuses 50 schirmt gegen die Effekte unerwünschter EMI ab.
Wie in 1c am besten dargestellt ist, hat der magnetische Kreis 20 generell eine rechteckige äussere Form mit zwei langen Elementen 21 und zwei kurzen Elementen 22, die an ihren Enden verbunden sind, um einen Ring einer im Allgemeinen rechteckigen Form zu bilden. Ein zentrales Element 23 verbindet die beiden kurzen Elemente 22 und teilt den inneren Teil des rechteckigen Rings in zwei rechtwinklige Öffnungen 24. Die beiden langen Elemente 21, die beiden kurzen Elemente 22 und das zentrale Element 22 des magnetischen Kreises 20 bestehen aus magnetisch weichem Material, das vorzugsweise einen hohen magnetischen Sättigungswert hat. Die beiden langen Elemente 21 haben innere Kanten 25, die der Öffnung 24 zugewandt sind. Ein Magnet 26 ist an der inneren Kante 25 der beiden langen Elemente 21 angebracht. Die Magnete 26 haben jeder einen magnetischen Pol, der jedem langen Element 21 zugewandt ist, und einen gegenüberliegenden freien magnetischen Pol, der den Öffnungen 24 zugewandt ist. Magnetische Spalten 28 werden zwischen dem freien magnetischen Pol, der den Öffnungen 24 zugewandt ist, und den Innenflächen 27 des zentralen Elements 23, definiert.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Magnete 26 am zentralen Element 23 angebracht. Daher haben die Magnete 26 jeder eine am mittleren Schenkel 23 angebrachte Oberfläche mit magnetischem Pol, und die gegenüberliegende Oberfläche mit freiem magnetischen Pol ist der Öffnung und der entgegengesetzten Oberfläche der Ebene 25 der beiden langen Elemente 21 zugewandt, wobei die magnetischen Spalten 28, anstatt sich zwischen dem zentralen Element 23 und den Magneten 26 zu befinden, zwischen den Oberflächen des freien magnetischen Pols und den Oberflächen 25 der beiden langen Elemente 21 definiert sind.
Jeder Magnet 26 schafft im entsprechenden magnetischen Spalt 28 ein Magnetfeld und die magnetische Rückleitungen sind durch das zentrale Element 23, die kurzen Elemente 22 und die langen Elemente 21 definiert. Die magnetischen Rückleitungen umgeben dadurch die magnetischen Spalten 28 vollständig und konzentrieren das Magnetfeld in den magnetischen Spalten 28. In dieser Hinsicht verfügt der magnetische Kreis 20 über eine sehr flache und kompakte Struktur, was ein niedriges Streumagnetfeld ergibt, was eine hohe Empfindlichkeit zur Folge hat und den Bedarf an magnetischer Abschirmung reduziert. In den 1a und 1b befindet sich der magnetische Kreis 20 in 1c in einem Gehäuse 50, wie durch Formen oder Einsetzen in ein vorgeformtes Gehäuse. Das Gehäuse 50 kann aus Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material bestehen und kann wahlweise einen Boden enthalten, der die Öffnungen 24 abdeckt, wie in 1b gezeigt.
1d veranschaulicht die im Wandler 10 verwendete Spule 30 in einer Zwischenstufe der Fertigung. Die Spule 30 ist aus elektrisch leitendem Dünndraht gewickelt, wie zum Beispiel Kupfer, und umfasst eine Anzahl von Windungen, die voneinander elektrisch isoliert sind, zum Beispiel mittels einer Obenflächenbeschichtung oder eines Lacks. Die Spule 30 hat eine zur 1d senkrechte Spulenachse. Wie nach dem Stand der Technik bekannt ist, wird die Spule während der Windung erhitzt, wodurch der Lack durch die Hitze adhäsiv wird. Während des Erhitzens klebt der Lack die Windungen aneinander. Die Spule 30 hat zwei freie Drahtenden 31, um die Spule 30 elektrisch mit anderen elektronischen Stromkreisen zu verbinden.
Die Spule 30 wird an einem Dorn mit einem im Allgemeinen rechteckigen Querschnitt gewickelt, um der Spule 30, wie in 1d gezeigt, eine im Allgemeinen rechteckige Form zu verleihen. Die Spule 30 hat eine im Allgemeinen rechteckige Öffnung 32 und eine im Allgemeinen rechteckige äussere Kontur mit abgerundeten Ecken. In der in 1d dargestellten Ausführungsform ist die Spule 30 im Wesentllichen flach und hat eine Dicke, die kleiner ist als ihre Radialbreite zwischen ihren inneren und äusseren Abmessungen. In einer Ausführungsform hat die Spule 30 eine Dicke von etwa 10 bis 30 Prozent ihrer Radialbreite.
Nachdem die Spule 30 mit der gewünschten Anzahl von Drahtwindungen gewickelt worden ist und die gewünschte Form und Dicke erhalten hat, wird sie vom Dorn entfernt. Während die Spule noch warm und der Lack noch weich ist, wird die Spule entlang zweier im Wesentlichen parallelen Biegungsachsen 33, wie in 1d gezeigt, unter Anwendung eines (nicht gezeigten) Biegungsinstruments gebogen. Nach Biegung weist die Spule 30 die in 1a und 1b gezeigte Form auf, wo die beiden langen Elemente 34 der Spule um etwa 90 Grad im Verhältnis zu den kurzen Elementen 35 gebogen worden sind und die beiden langen Elemente 34 im Wesentlichen parallel zueinander sind. Danach wird die Spule 30 abgekühlt, bis sich der Lack festigt.
In einer Ausführungsform wird die gebogene und stabilisierte Spule 30 an der Membran 40 befestigt. Die Membran 40 ist aus einer dünnen und flexiblen Folie hergestellt. An den oberen und unteren Oberflächen der Membran 40, wie in 1b dargestellt, schliesst die Membran 40 elektrisch leitende Abschnitte 41 (untere Seite) und 53 (obere Seite – nicht gezeigt) ein, die voneinander elektrisch isoliert sind. Die elektrisch leitenden Abschnitte 41 bestehen aus einem leitenden Material, wie Kupfer. Die beiden kurzen Schenkel 35 der Spule 30 werden an der unteren Oberfläche der Membran 40, wie durch ein Haftmittel, befestigt. Die Tatsache, dass die Drahtenden direkt mit der Membran verbunden sind, führt zu einem wesentlich verminderten Risiko für Bruch/Beschädigung der Drähte bei Betrieb des Wandlers, d.h. dass die Membran bewegt wird, da die Spule an der Membran 40 befestigt ist. Die Drahtenden können jedoch alternativ mit Anschlüssen am Gehäuse elektrisch verbunden werden, z.B. durch Löten.
Die Membran 40 ist im Allgemeinen rechteckig und enthält Zungen 42, die sich von den langen Seiten der Membran 40 erstrecken. Die elektrisch leitenden Abschnitte 41 sind so gestaltet, um die Drahtenden 31 der Spule 30 mit den passenden Anschlüssen des elektronischen Stromkreises 60 zu verbinden und um andere Anschlüsse des elektronischen Stromkreises 60 mit Verbindungspunkten der Zungen 42 für den externen Zugang zu verbinden. Die elektrisch leitenden Abschnitte 41, die mit den Drahtenden der Spule 30 oder den Anschlüssen auf dem elektronischen Stromkreis 60 keinen elektrischen Kontakt haben sollten, sind mit einem externen AC-Erdanschluss verbunden, so dass diese Abschnitte 41 verhindern, dass Linien, die aus dem elektrischen Feld der Spule 30 entstehen, die Oberseite der leitenden Schicht 53 der Membran erreichen.
Der elektronische Stromkreis 60 (1a und 1b) wird an der Unterseite der Membran 40 mittels Schweissen, Löten oder unter Verwendung eines Klebstoffs befestigt. Der leitende Teil 53 auf der Oberseite bildet eine erste Platte eines kapazitiven Sensors. Der leitende Teil 53 wird elektrisch mit dem entsprechenden Anschluss des elektronischen Stromkreises 60 durch eine Durchführung in der Membran verbunden. Der elektronische Stromkreis 60 hat solche Abmessungen, dass er in die Öffnung 32 der Spule 30 passt, wie in 1d gezeigt, nachdem die Spule 30 gebogen wurde. Weitere Details des elektronischen Stromkreises 60 werden nachstehend diskutiert.
Die Membran 40, an der die Spule 30 und der elektronische Stromkreis 60 befestigt sind, wird so an dem magnetischen Kreis 20 befestigt, dass die beiden langen Elemente 34 der Spule in den entsprechenden magnetischen Spalten 28 angeordnet sind. Die beiden kurzen Elemente 35 der Spule 30 befinden sich über dem zentralen Element 23, wie in 1a gezeigt. Die Membran 40 hat eine Breite, die dem Abstand zwischen den inneren Seiten der langen Kanten 51 des Gehäuses 50 entspricht.
Die langen Kanten der Membran 40 können mit einem Klebstoff am magnetischen Kreis 20 oder am Gehäuse 50 befestigt sein. Alternativ kann der Schlitz mit einer flexiblen Substanz verschlossen werden, so dass sich die Kanten bewegen können. In einer Ausführungsform sind die beiden kurzen Seiten der Membran frei und definieren einen engen Schlitz zwischen der kurzen Seite der Membran 40 und der Kante des Gehäuses 50. Der Schlitz hat solche Abmessungen, dass er die gewünschten akustischen Parameter des Wandlers 10 abstimmt, insbesondere Parameter bei niedrigen Frequenzen. In einer anderen Ausführungsform sind die beiden kurzen Seiten der Membran 40 am magnetischen Kreis oder am Gehäuse 50 befestigt. In der dargestellten Ausführungsform der 1a und 1b hat die Membran eine im Allgemeinen rechteckige Form, doch kann sie in anderen Ausführungsformen andere Formen, wie quadratisch, kreisförmig oder mehreckig, annehmen.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Spule durch eine dünne und flexible Folie geformt sein, wie eine biegsame, gedruckte Schaltkarte. Solch eine dünne und flexible Folie wird einen vordefinierten elektrisch leitenden Pfad tragen, um darauf einen spulenähnlichen elektrischen Pfad zu bilden. Wie im folgenden beschrieben wird, hat die Membran auch in ihrer bevorzugten Ausführungsform elektrisch leitende Teile. Deswegen können die Spule und die Membran aus einer einzigen Folie einer biegsamen gedruckten Schaltkarte mit geeigneten leitenden Pfaden hergestellt werden, und diese Folie wird auf eine solche Weise gebildet, dass die beiden langen Teile der Spule erscheinen und einen Winkel von 90 Grad in Bezug auf den Rest der Struktur der integrierten Membran/Spule haben.
Nochmals bezogen auf 1a enthält der magnetische Kreis 20 mehrere Schichten und die oberste Schicht des zentralen Elements 23 wird ausgelassen. Die „fehlende" Schicht des zentralen Elements 23 nimmt das kurze Element 35 der Spule 30 und des elektronischen Stromkreises 60 auf. In alternativen Ausführungsformen kann das zentrale Element 23 mehr als eine Schicht weniger aufweisen, um eine dickere Spule 30 und/oder einen dickeren elektronischen Stromkreis 60 aufzunehmen. In einer anderen Ausführungsform besteht der magnetische Kreis 20 aus einem festen Block und das zentrale Element 23 wird in die Öffnung des festen Blocks eingesetzt.
1a und 1b zeigen zwei Fugen oder Kanäle 52 im Gehäuse 50, die entlang der langen Seiten des Gehäuses 50 verlaufen und am Boden des Gehäuses 50 enden, wie in 1b gezeigt. Die Breite der Kanäle 52 entspricht etwa der Breite der Zungen 42. Die Zungen 42 sind gebogen und werden in entsprechenden Kanälen 52 empfangen. Die Enden der Zungen 42 sind wiederum gebogen und im Teil der Kanäle 52 empfangen und enden am Boden des Gehäuses 50. Die Enden der Zungen 42 können an beiden Seiten der Enden eine leitende Schicht aufweisen, so dass die leitende Schicht der Enden der Zungen 42 exponiert ist, wenn die Enden der Zungen 42 in die Kanäle 52 gebogen werden, die am Boden des Gehäuses 50 enden. Die Enden der Zungen 42 dienen als elektrische Anschlüsse des Miniwandlers für die Verbindung mit anderen elektronischen Komponenten. In einer anderen Ausführungsform haben die Enden der Zunge 42 keine exponierte leitende Schicht und an den Enden der Zunge 42 können sich durchplattierte Löcher gebildet haben, um zwischen dem Wandler 10 und anderen elektronischen Komponenten eine elektrische Verbindung herzustellen. Für einige Anwendungen, wie zum Beispiel Mobiltelefone, mag es interessant sein, den Wandler mit einer externen elektronischen Ausrüstung so zu verbinden, dass die leitenden Teile der Zungen 42 mit leitenden Abschnitten einer Schaltkarte direkt verlötet werden. Alternativ können die Endabschnitte der leitenden Abschnitte 42 der Zungen gelötet oder anderweitig mit elektrischen Anschlüssen (nicht gezeigt), die an den Fugen 52 des Gehäuses 50 angebracht sind, verbunden werden.
In den dargestellten Ausführungsformen hat der Wandler nur zwei elektrische Anschlüsse. Für einige Anwendungen, die die integrierte Signalverarbeitungselektronik verwenden, können ein oder mehrere zusätzliche Anschlüsse erforderlich sein. Typischerweise sind mindestens drei Anschlüsse erforderlich: Spannungsversorgung für die integrierte Elektronik, für die Erde und einen für den digitalen oder analogen Signaleingang. Für einige Anwendungen sind noch mehr Anschlüsse erforderlich. Solche zusätzlichen externen Anschlüsse können durch Hinzufügen von Zungen 42 der oben beschriebenen Typen geschaffen werden.
Zum Wandler 10 schliesst eine Frontplatte 54 (2), die über der Membran 40 angebracht ist, ein. Die Frontplatte 54 kann Öffnungen haben, um die Emission akustischer Energie von der Membran 40 zu fördern. Die Frontplatte ist entweder elektrisch leitend oder mit einer elektrisch leitenden Schicht ausgerüstet, die als zweite Platte im zuvor erwähnten Sensorkondensator dient.
Wie oben erklärt, wird die Membran 40 in einer Ausführungsform entlang den langen Kanten der Membran 40 auf dem magnetischen Kreis 20 befestigt, während seine kurzen Kanten frei sind. Herkömmliche Membrane werden entlang der gesamten Peripherie des Wandlers befestigt. Die freien Kanten der Membran 40 der vorliegenden Erfindung führen dazu, dass der Wandler 10 eine relativ hohe Übereinstimmung aufweist, selbst mit einer relativ dicken Membran. Wenn den Anschlüssen an den Zungen 42 für Ultraschallfrequenzen hörbare elektrsche Eingangssignale zugeführt werden, interagiert der daraus entstandene Strom in den Spalten zwischen den Drähten der Spule 30 mit dem Magnetfeld in den magnetischen Spalten 28 und veranlasst die Spule 30 und die Membran 40, sich zu bewegen. Die Bewegung der Membran 40 erzeugt akustische Energie Audiofrequenzen.
Der Motor in 1a enthält den magnetischen Kreis 20 und die Spule 30, die die Membran 40 antreiben. Der Motor kann auch so gestaltet sein, das er eine bewegbare Armatur (nicht gezeigt) einschliesst, die sich durch einen von einer Drahtspule und einem magnetischen Spalt, der durch ein Paar in regelmässigen Abständen gesetzten Magneten definiert wird, definierten Tunnel erstreckt. Das Eingangssignal an die Spule verursacht eine Veränderung des Magnetfelds innerhalb des Spulentunnels, was die Armatur in Bewegungen versetzt. Da die Armatur über einen Mitnehmerbolzen an die Membran gekoppelt ist, verursacht das Eingangssignal eine entsprechende Bewegung in der Membran.
Im Beispiel einer Ausführungsform, wie in den 1a und 1b gezeigt, hat der Wandler 10 Abmessungen von ca. 11 mm (L) × 7 (B) × 4 (H), wobei L für die Länge der langen Kante des Gehäuses 50 steht, W für die Länge der kurzen Kante des Gehäuses 50 steht und H für die Höhe des Gehäuses 50 steht, gemessen vom Boden des Gehäuses 50 bis oben an die Frontplatte 54. Das Volumen des in 1a und 1b gezeigten Wandlers 10 beträgt etwa 308 mm³, aber in alternativen Ausführungsformen beträgt das Volumen des Wandlers 10 weniger als etwa 6000 mm³. Im Allgemeinen weist der Wandler 10 eine solche Grösse auf, dass er in kleine tragbare Einrichtungen, wie Mobiltelefone, tragbare Audioplayers oder Videoplayers, Minicomputer, Hörgeräte, Kopfhörer, tragbare Ultraschallgeräte oder sonstige geeignete tragbaren Einrichtungen, eingesetzt werden kann. Die Membran 40 hat ungefähre Abmessungen (mit Ausnahme der Zungen 42) von 11 mm (L) × 7 mm (B), oder einen Oberflächenbereich von ungefähr 77 mm². In alternativen Ausführungsformen kann die Membran 40, um eine erhöhte akustische Leistung zu erzeugen, vergrössert werden, so dass deren Oberflächengebiet weniger als ungefähr 650 mm² (oder ungefähr 1,0 Zoll²) beträgt. Die angegebenen Abmessungen sind Beispiele einer bevorzugten Ausführungsform des Wandlers. Die Abmessungen des Wandlers gemäß der Erfindung können beliebig gewählt werden, um den unterschiedlichen Anwendungen zu entsprechen.
2 zeigt eine Querschnittsansicht des Wandlers 10, bei der der magnetische Kreis 20 fehlt, aber die Abdeckung 54 zeigt, die die vom Gehäuse 50 definierte Aussparung schliesst. Die Abdeckung 54 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, wie Stahl oder Aluminium, oder metallisierten, nicht-leitenden Materialien, wie mit Metallpartikeln beschichtete Kunststoffe. In einer alternativen Ausführungsform besteht die Abdeckung 54 aus einem nicht-leitenden Material, wie Kunststoff, und schliesst eine leitende Schicht aus einem leitenden Material, wie Stahl oder Aluminium, oder metallisierten, nicht-leitenden Materialien, wie mit Metallpartikeln beschichteten Kunststoffe, ein. Die Anordnung der Abdeckung 54 bildet einen Plattenkondensator, bei dem die eine Platte die leitende Schicht der Abdeckung 54 und die andere Platte die leitende Schicht der Oberfläche 51 der Membran 40 bildet. Da der Abstand zwischen den beiden Platten als Folge der Bewegungen und Vibrationen der Membran unterschiedlich ist, variiert die Kapazität, und diese Änderungen der Kapazität lassen sich in elektrische Signale umwandeln, die dem elektronischen Stromkreis 60 bereitgestellt werden, wie im Zusammenhang mit 3-5 genauer beschrieben wird. Die Platten des Plattenkondensators sind elektronisch über z.B. Drähte oder Löten an den elektronischen Stromkreis gekoppelt.
Der elektronische Stromkreis 60 ist an der unteren Oberfläche 41 der Membran 40 angeordnet, wie in 2 gezeigt. In alternativen Ausführungsformen kann der elektronische Stromkreis 60 ein integrierter Stromkreis sein, der auf der Oberfläche oder an einem Flip-Chip befestigt ist oder auf einem Substrat oder PCB innerhalb des Gehäuses 50 drahtgebunden ist. Auch wenn der elektronische Stromkreis 60 in der 2 auf der unteren Oberfläche 41 der Membran 40 gezeigt ist, kann der elektronische Stromkreis 60 an der entgegengesetzten Oberfläche der Membran 40 angeordnet sein, an einer anderen Stelle im Gehäuse 50, oder der elektronische Stromkreis 60 kann ausserhalb des Gehäuses 50 angeordnet sein. Es wird jedoch bevorzugt, den elektronischen Stromkreis 60 innerhalb des Gehäuses 50 anzuordnen.
3 ist ein funktionales Blockdiagramm des Minilautsprechers 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Blockdiagramm zeigt im Allgemeinen das Lautsprechergehäuse 50 und den elektronischen Stromkreis 60, der einen Sensorsignal-zu-Spannung-Umwandler (V/C) 304 und einen Verstärker 306 enthält. Der Motor 308 ist die mechanische Einrichtung zur Erzeugung akustischer Energie und umfasst im Allgemeinen den magnetischen Kreis 20 und die Spule 30, die die Membran 40 antreiben. In der dargestellten Ausführungsform schliesst das Lautsprechergehäuse 50 den elektronischen Stromkreis 60 ein.
Ein elektrisches Eingangssignal wird über Leitung 310 für einen Eingang des Verstärkers 306 bereitgestellt. Das elektrische Eingangssignal in 3 ist ein Analogsignal in den Bereichen der hörbaren Frequenzbereiche oder Ultraschallfrequenzbereiche. Die Leistung des Verstärkers 306 erfolgt über Leitung 312 an den Motor 308. Ein Sensor 314 wird auf oder nahe an der Membran angebracht, um die Bewegung der Membran nachzuweisen, wie in 2 gezeigt. Der Sensor 314 kann die Bewegungen der Membran direkt oder indirekt nachweisen. Zum Beispiel ist der Sensor 314, wie in 2 gezeigt, ein Plattenkondensator, der Bewegungen der Membran direkt nachweist. In einer anderen Ausführungsform ist der Sensor 314 eine Spule, die wenigstens einen Teil des vom Motor 308 erzeugten Magnetfelds spürt, und so die Bewegungen der Membran indirekt nachweist. In einer nochmals anderen Ausführungsform ist der Sensor 314 ein Beschleunigungsmesser, wie ein piezoelektrischer Beschleunigungsmesser, der direkt auf der Membran angebracht ist. Der Sensor 314 könnte auch ein Mikrofon sein, das das vom Motor 308 erzeugte akustische Signal nachweist.
Der Sensor 314 stellt dem V/C 304 ein Feedback-Signal über Leitung 316 bereit. Das Feedback-Signal auf Leitung 316 ist für die Bewegungen der Membran charakteristisch. In einer Ausführungsform ist der V/C 304 ein geschalteter Kondensatorstromkreis. In alternativen Ausführungsformen kann der V/C 304 ein Kondensator-zu-Spannung-Umwandler oder ein Kondensator-zu-Frequenz-Umwandler sein. Das Ausgangssignal des V/C 304 wird auf Leitung 318 am Verstärker 306 bereitgestellt.
Der Verstärker 306 ist vorzugsweise ein Differenzverstärker der Klasse A oder B. Der Verstärker 306 empfängt als Eingang das elektrische Eingangssignal auf Leitung 310 und das analoge Feedback-Signal des V/C 304 auf Leitung 318. Das Feedback-Signal wird im Verstärker 306 vom elektrischen Signal subtrahiert, verstärkt, und über Leitung 312 auf den Motor 308 übertragen. Auf diese Weise werden akustische Anomalien, wie Resonanz, Verzerrung und sonstige unerwünschte akustische Anomalien, durch die Schleifenkonstruktion mit aktivem Feedback der vorliegenden Erfindung verringert.
In 4 wird ein anderes funktionales Blockdiagramm eines Minilautsprechers in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Gehäuse des Lautsprechers 50 umfasst im Allgemeinen den elektronischen Stromkreis 60 mit einem Signalumwandler 404 und einem Verstärker 406. Innerhalb des Lautsprechergehäuses 50 befindet sich ein Motor 408, der normalerweise aus dem magnetischen Kreis 20 und der Spule 30 besteht, die die Membran 40 antreiben. Auf Leitung 410 wird ein analoges elektrisches Signal an dem Verstärker 406 bereitgestellt. Der Verstärker 406 ist vorzugsweise ein Impulsbreite-modulierter (PWM) oder Impulsdichte-modulierter (PDM) Verstärker der Klasse D. Der Signalumwandler 404 wandelt das Feedback-Signal eines Sensors 414 auf der Leitung 416 in ein analoges oder digitales elektrisches Signal um. Im Fall eines analogen Eingangssignals auf Leitung 410 wandert der Signalumwandler 404 das Feedback-Signal in ein analoges oder digitales Signal auf Leitung 418 um.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das elektrische Eingangssignal auf Leitung 410 ein digitales Audiosignal in den Bereichen der hörbaren oder Ultraschallfrequenzen und der Signalumwandler 404 wandelt das Feedback-Signal auf Leitung 416 vom Sensor 414 in ein entsprechendes digitales Feedback-Signal um. Die Leistung des Verstärkers 406 auf Leitung 412 betreibt den Aktuator 408. Der Sensor 414 weist die Bewegungen der Membran direkt oder indirekt nach und überträgt diese Bewegungen in ein elektrisches Signal auf Leitung 416.
5 ist ein weiteres funktionales Blockdiagramm eines Minilautsprechers entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Lautsprechergehäuse 50 umfasst im Allgemeinen den elektronischen Stromkreis 60, der einen Sensorsignalumwandler 504 und einen digitalen Signalprozessor (DSP) 506 und einen Motor 508 umfasst, der im Allgemeinen aus dem magnetischen Kreis 20 und der Spule 30 besteht, die die Membran 40 antreiben.
Das Feedback-Signal auf Leitung 516 vom Sensor 514 wird im Sensorsignalumwandler 504 digitalisiert, der eine digitale Darstellung des Feedbacksignals auf Leitung 518 dem DSP 506 bereitstellt. Der Umwandler 504 kann ein Multi-Bit-Umwandler oder ein Ein-Bit-Sigma- oder Delta-Umwandler sein.
Der DSP 506 kann wahlweise Kontrollsignale 511 einschliessen. Mit den Kontrollsignalen 511 können Fabrikanpassungen oder Benutzeranpassungen der Tonqualität, wie Empfindlichkeit, Frequenzgang oder „soft clipping", bei hohen Leistungsniveaus gemacht werden, oder sie können eingesetzt werden, um die mechanische Belastung des Motors zu verringern, indem die Antriebsebenen verringert werden, wenn sie einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigen. Auf diese Weise kann die Lebensdauer des Minilautsprechers verlängert und die Integrität der Tonqualität erhalten bleiben.
Der DSP kann die digitalen Tonsignale auf Leitung 510 filtern und formen. Zusammen mit dem digitalisierten Feedback-Signal auf Leitung 518 kann der DSP 506 den Frequenzgang des Minilautsprechers durch Anpassung der akustischen Parameter, wie Bandbreite, Verzerrung, Empfindlichkeit, Flachheit, Form, Verstärkung und Produktionsspanne, oder durch Kompensation von Veränderungen der akustischen Belastung, optimieren.
Zusätzlich kann der DSP 506 einen Dekodierungselektronik zum Dekodieren eines digitalen Audioformats enthalten, wie S/PDIF, AES/EBU, I2S oder sonstige geeignete digitale Audioformate. In dieser Ausführungsform kann der Minilautsprecher direkt in eine Einrichtung gesteckt werden oder in einer Einrichtung enthalten sein, das mit solchen digitalen Audioformaten kompatibel ist und dadurch keine intermediäre Hardware benötigt wird. Es ist zu beachten, dass die Dekodierungselektronik in der einen Ausführungsform im DSP 506 enthalten sein kann und in einer anderen Ausführungsform sonst irgendwo im elektronischen Stromkreis 60 enthalten sein kann. In einer nochmals anderen Ausführungsform ist der DSP 506 ein reiner digitaler DSP, und der elektronische Stromkreis 60 enthält einen D/A-Schaltkreis, wie ein PDM- oder PWM-Treiberschaltkreis, um das digitale Ausgangssignal in ein Treibersignal auf Leitung 512 umzuformen.
Wie oben erwähnt, kann der DSP 506 dazu verwendet werden, die mechanische Belastung der aktiven Komponenten im Wandler 10, wie dem Motor und der Membran, zu verringern. Der DSP vergleicht den Wert des Feedback-Signals auf Leitung 518 mit einem vorbestimmten Wert, wie dem Wert des elektrischen Eingangssignals auf Leitung 510. Falls dieser Vergleich den vorbestimmen Schwellenwert überschreitet, verringert der DSP den Antrieb auf Leitung 510 auf einen Wert innerhalb des vorbestimmten Schwellenwerts oder alternativ gibt der DSP ein Signal über ein oder mehrere der Kontrollsignale 511 ab und gibt dadurch an, dass die Antriebsebene zu hoch ist. Wenn der Vergleich der Signale zu einem bestimmten, unbrauchbaren Ergebnis führt, das auf einen mechanischen Fehler hinweist, gibt der DSP ein Signal über die Kontrollleitungen 511 ab, das auf einen Fehler des Lautsprechers hinweist.
Während die vorliegende Erfindung in Bezug auf eine oder mehrere bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute verstehen, dass viele Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Jede dieser Ausführungsformen und offensichtlichen Variationen davon wird als in den Bereich der beanspruchten Erfindung fallend betrachtet, was in den nachstehenden Patentansprüchen dargelegt wird.

Claims

Miniwandler (10) zum Umformen eines elektrischen Eingangssignals in ein akustisches Ausgangssignal, wobei der Miniwandler (10) umfasst: – ein Gehäuse (50) mit einer Öffnung, – einen im Gehäuse (50) angebrachten Motor, der einen magnetischen Kreis (20) und eine Spule (30) umfasst, und – eine an der Spule (30) montierten Membran (40), die eine leitende Schicht (41) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht (41) zur Verbindung von Drahtenden der Spule (30) zu Anschlüssen eines an die Membran (40) montierten elektronischen Schaltkreises (60) gestaltet ist, um den elektronischen Kreis (60) an den Motor zum Betrieb der Membran (40) elektrisch anzukoppeln.
Miniwandler (10) nach Anspruch 1, worin Formen des Gehäuses (50), des magnetischen Kreises (20) und der Membran (40) aus der Gruppe bestehend aus: allgemein rechtwinklig, allgemein kreisförmig und mehreckig ausgewählt sind.
Miniwandler (10) nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend einen kapazitiven Sensor (53, 54) zur Erfassung einer Bewegung der Membran (40), wobei der kapazitive Sensor (53, 54) ein Rückkopplungssignal herstellt, das die Bewegung der Membran (40) darstellt, wobei das Rückkopplungssignal und das elektrische Eingangssignal das Ausgangssignal definieren.
Miniwandler (10) nach irgendeinem der Ansprüche 1–3, worin der elektronische Stromkreis (60) mit der Membran (40) drahtverbunden oder an die Membran (40) flip-chip-montiert ist.
Miniwandler (10) nach Anspruch 3 oder 4, worin das Gehäuse (50) eine elektrisch leitende Frontplatte (54) umfasst, und worin der kapazitive Sensor (53, 54) eine erste Platte und eine zweite Platte umfasst, wobei die erste Platte durch die Leitschicht (53) an der Membran (40) und die zweite Platte durch die Frontplatte (54) definiert sind.
Miniwandler (10) nach Anspruch 3 oder irgendeinem der Ansprüche 4 oder 5, in Abhängigkeit von Anspruch 3, worin der elektronische Stromkreis (60) einen analog-zu-digital-Umformer zur Verarbeitung des Rückkopplungssignals in ein digitales Signal, das das Rückkopplungssignal darstellt, umfasst.
Miniwandler (10) nach irgendeinem der Ansprüche 3 oder 6 oder irgendeinem der Ansprüche 4 oder 5, in Abhängigkeit von Anspruch 3, worin der elektronische Stromkreis (60) geeignet ist, Verzerrung durch Einstellung des Ausgangssignals in Erwiederung auf das Rückkopplungssignal zu reduzieren.
Miniwandler (10) nach irgendeinem der Ansprüche 3 oder 6 oder 7 oder irgendeinem der Ansprüche 4 oder 5, in Abhängigkeit von Anspruch 3, worin der elektronische Stromkreis (60) einen Verstärker zur Gestaltung des Ausgangssignals vom elektrischen Eingangssignal und vom Rückkopplungssignal umfasst, wobei der Verstärker aus der Gruppe bestehend aus: Klasse A-Verstärkern, Klasse B-Verstärkern oder Klasse D-Verstärkern ausgewählt ist.
Miniwandler (10) nach irgendeinem der Ansprüche 3 oder 6–8 oder irgendeinem der Ansprüche 4 oder 5, in Abhängigkeit von Anspruch 3, worin der elektronische Stromkreis (60) einen Stromkreis zur Gestaltung des Ausgangssignals vom elektrischen Eingangssignal und vom Rückkopplungssignal umfasst, wobei der Stromkreis aus der Gruppe bestehend aus: PWMs, PDMs oder DSPs ausgewählt ist.
Miniwandler (10) nach irgendeinem der Ansprüche 1–9, worin der elektronische Stromkreis (60) ein integierter Stromkreis ist.
Miniwandler (10) nach irgendeinem der Ansprüche 1–10, worin die Membran (40) aus einer flexiblen Platte mit einer im wesentlichen rechteckigen Form gestaltet ist.
Miniwandler (10) nach Anspruch 11, worin die flexible Platte ein Flexprint ist.
Miniwandler (10) nach irgendeinem der Ansprüche 1–12, worin der Miniwandler (10) ein Minilautsprecher ist.