TW202046086A - 具有耦合共振頻率回應之系統及用於設計多重共振耦合系統之方法 - Google Patents

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Abstract

一種系統包含：一平坦面板顯示器，其具有對應於該平坦面板顯示器之一組成、形狀及結構之一面板共振頻率回應；及一致動器，其具有對應於該致動器之一組成、大小及形狀之一致動器共振頻率回應；其中該致動器在一機械驅動點處機械耦合至該平坦面板顯示器，其中該系統之一耦合共振頻率回應低於該平坦面板顯示器之該面板共振頻率回應。

Description

具有耦合共振頻率回應之系統及用於設計多重共振耦合系統之方法
本申請案係關於多重共振耦合系統，且更特定言之，本申請案係關於用於平坦面板致動之多重共振耦合系統。
平坦面板顯示器可經致動以透過接近平坦面板顯示器之自然共振模式結構之頻率下之彎曲波振動產生聲學及/或觸覺輸出。然而，許多平坦面板顯示器之最低有用模式之頻率往往可能過高以至於無法有效遞送所要低頻回饋(例如，低分貝位準及/或有限頻寬)，從而限制併入平坦面板顯示器用於聲學及/或觸覺輸出之裝置之低頻回應。
揭示與擴展一平坦面板顯示器(或另一彎曲波面板)之低頻回應有關之技術。顯示器可與一或多個致動器(例如，分佈模式致動器)耦合以形成具有在低於顯示器之自然共振之頻率下之改良效能之一多重共振耦合系統(例如，一分佈模式揚聲器(DML))。舉例而言，可使用一多重共振耦合系統來增強具有具低於500 Hz之有限範圍之自然頻率共振之一平坦面板顯示器之一行動裝置，藉此可藉由添加一或多個致動器擴展行動裝置之低頻頻寬，使得耦合系統可產生範圍在300 Hz至500 Hz或150 Hz至300 Hz之間之共振頻率。
一般而言，在一第一態樣中，本發明之特徵在於一種系統，其包含：一平坦面板顯示器，其具有對應於該平坦面板顯示器之一組成、形狀及結構之一面板共振頻率回應；及一致動器，其具有對應於該致動器之一組成、大小及形狀之一致動器共振頻率回應；其中該致動器在一機械驅動點處機械耦合至該平坦面板顯示器，且其中該系統之一耦合共振頻率回應低於該平坦面板顯示器之該面板共振頻率回應。
系統之實施例可包含以下特徵之一或多者。
系統可進一步包含一控制器，該控制器經程式化以提供電信號以驅動致動器，使得致動器產生致動器共振頻率回應。
可基於平坦面板顯示器之一面板共振模式來選擇系統中之機械驅動點，致動器具有經選擇以在機械驅動點處匹配平坦面板顯示器之一機械阻抗的一機械阻抗。
致動器之致動器共振頻率回應可比平坦面板顯示器之面板共振頻率回應低2/3至1倍頻程。致動器共振頻率回應可處於相對於平坦面板顯示器之一基本共振頻率回應之一較低頻率範圍。致動器可係一分佈模式致動器。
耦合共振頻率回應可在300 Hz至600 Hz之一範圍內。
平坦面板顯示器可包含一觸控螢幕面板、一顯示面板、及耦合至顯示面板之一氣隙。系統可係一行動裝置之一組件。
系統可包含多個致動器。舉例而言，致動器可係一第一致動器且機械驅動點可係一第一機械驅動點且系統可進一步包含在一第二不同機械驅動點處貼附至平坦面板顯示器的一第二致動器。第二致動器之第二不同機械驅動點可能相對於第一致動器之第一機械驅動點非對稱。第二機械驅動點處之第二致動器可具有一第二不同低頻共振。在一各自機械驅動點處貼附至平坦面板顯示器之各致動器可提供一各自低頻頻寬及針對該給定低頻頻寬之一各自位準。第一各自低頻頻寬可對應於平坦面板顯示器之一觸覺回應且第二各自低頻頻寬可對應於平坦面板顯示器之一聲學回應。
一般而言，在一進一步態樣中，本發明之特徵在於一種方法(例如，用於擴展包含一平坦面板顯示器之一系統之一低頻回應)，該方法包含：針對該平坦面板顯示器判定該平坦面板顯示器之一共振模式頻率；針對該平坦面板顯示器之該共振模式頻率判定該共振模式頻率下之該平坦面板顯示器之一機械驅動點；針對該機械驅動點判定該機械驅動點處之該平坦面板顯示器之一機械阻抗；及選擇一致動器以在該機械驅動點處機械耦合至該平坦面板顯示器，該致動器之該選擇包含：針對該共振模式頻率在該機械驅動點處將該致動器之該機械阻抗匹配至該平坦面板顯示器之該機械阻抗；調諧該致動器之一頻率，使得該致動器之該頻率處於相較於該平坦面板顯示器之該共振模式頻率的一第二不同共振頻率。
方法之實施方案可包含以下特徵之一或多者。
致動器之第二不同共振頻率可處於相對於平坦面板顯示器之共振模式頻率之一較低頻率。舉例而言，致動器之第二不同共振頻率可比平坦面板顯示器之共振模式頻率低2/3至1倍頻程。
平坦面板顯示器可包含一觸控螢幕面板、一顯示面板、及耦合至顯示面板之一氣隙。平坦面板顯示器可係一行動裝置之一組件。
方法可進一步包含選擇一額外致動器以在一額外不同機械驅動點處機械耦合至平坦面板顯示器。額外致動器之額外不同機械驅動點可能相對於致動器之機械驅動點非對稱。額外機械驅動點處之額外致動器可具有一額外不同低頻共振。在各自機械驅動點處貼附至平坦面板顯示器之各致動器可提供一各自低頻頻寬及針對該各自低頻頻寬之一各自位準。第一各自低頻頻寬可對應於平坦面板顯示器之一觸覺回應且第二各自低頻頻寬可對應於平坦面板顯示器之一聲學回應。
除其他優勢以外，將一第一共振系統(例如，具有一耦合氣隙之一平坦面板顯示器)與一第二共振系統(例如，一致動器)耦合可改良組合多重共振耦合系統(例如，作為一DML)之較低頻率下之力回應及輸出保真度(例如，針對觸覺回應，音頻輸出)。經改良輸出可包含將系統之低頻頻寬增加至一可接受(例如，可聽或可感知)分貝位準及/或提高系統在其電力使用中之效率。多重共振耦合系統可針對特定應用(例如，聲學、觸覺應用)及使用模式(例如，接收器模式、揚聲器模式)在頻率頻寬及分貝位準方面進行最佳化。
在隨附圖式及以下描述中陳述本說明書中描述之標的之一或多項實施例之細節。將從描述、圖式及發明申請專利範圍明白標的之其他特徵、態樣及優勢。
相關申請案之交叉參考 本申請案依據35 U.S.C. § 119(e)規定主張2017年12月29日申請且以引用的方式併入本文中之美國專利申請案第62/611,693號之申請日期之權利。
參考圖1A至圖1C，一行動電話100包含一多重共振耦合系統120，該多重共振耦合系統120具有耦合至一致動器114之一平坦面板顯示器102。電話100沿主軸(線A-A)之一橫截面展示含有一觸控螢幕面板103 (例如，一玻璃、塑膠)及一顯示層104 (例如，一LCD面板或一OLED面板)之一平坦面板顯示器102。一懸置機構(例如，安裝件) 106在電話100之顯示層104與一背部面板109之間產生一間隙108。系統120包含使用一耦合器116 (例如，一短柱(stub) )在一驅動點118處安裝至顯示面板104的致動器(或換能器) 114。
一控制器122施加不同電信號(例如，透過耦合器116中之電連接)以驅動致動器114 (例如，一壓電雙晶片樑(piezoelectric bimorph beam))以藉由將電壓轉化成機械能而彎曲至不同位置(例如，位置112及112(1))。致動器114之彎曲運動對機械耦合至螢幕103之顯示面板104施加力，從而導致平坦面板顯示器102中之彎曲波振動。此等振動可耦合至平坦面板顯示器102外部之空氣以產生聲音(例如，聲學)。額外地或替代地，可使用此等振動來為與平坦面板顯示器102接觸之一使用者之手指產生一觸覺感覺。
電話100包含間隙108中之電子器件110。電子器件110可包含一電池、輸入/輸出電路、及儲存器及處理器電子器件。電子器件110可包含用於控制器122之電路及電源。
平坦面板顯示器102可針對一行動電話適當地定大小。舉例而言，顯示器可具有約4吋至約7吋之一對角線尺寸。更一般地，較大顯示器(例如，8吋對角線或更大)可用於其他應用(例如，平板電腦)中。平坦面板顯示器102可具有介於約1 mm至約5 mm之間之一厚度。
一般而言，顯示面板104可係一透射式顯示面板、一反射式顯示面板或一發射式顯示面板。例示性顯示面板包含一液晶顯示器(LCD)顯示面板、一有機發光二極體(OLED)顯示面板。透射式顯示面板大體上將包含一邊緣光或背光且可包含額外光管理組件以將來自一光源之光分佈至顯示面板。
觸控螢幕103可包含玻璃、塑膠，或任何其他透明材料。觸控螢幕亦可包含用於感測觸摸之材料。舉例而言，觸控螢幕103可包含用於電容感測之一透明導體塗層(例如，氧化銦錫(ITO))。
背部面板109與平坦面板顯示器102之間之間隙108中之空間大體上至少部分被電子器件110及其他電話組件(例如，一電池)佔用。間隙108中之剩餘空間形成一聲腔，該聲腔在耦合至平坦面板顯示器102時表現得像一彈簧。腔體可含有空氣及/或開孔發泡體(例如，一低剛度開孔彈性體)。在一些實施方案中，聲腔與平坦面板顯示器102之共振模式強耦合且可更改顯示器102回應於來自致動器114之力之方式。因此，在一些實施例中，一氣隙(或發泡體腔)形成系統120之部分及/或平坦面板顯示器102之部分。顯示器中之耦合氣隙(或發泡體腔)可具有0.1 mm至5 mm之一厚度。
儘管圖1A至圖1C將致動器114展示為一壓電懸臂樑分佈模式致動器，然預期致動器之各種幾何形狀及耦合方案，包含中心耦合、簡單支撐、多層及/或多層致動器幾何形狀。預期各種作用致動器材料，諸如壓電、磁致伸縮或駐極體材料。作用材料可係一雙壓電晶片(具有一中心葉片或基板之一雙壓電晶片)或一單壓電晶片(uni-morph)。作用元件可固定至一背板或墊片，該背板或墊片可係一薄金屬片且可具有與作用元件之剛度類似的一剛度。額外地或替代地，致動器可係電磁的，諸如一音圈馬達系統或一移動磁鐵馬達系統，其力特性具有一主振。全部內容以引用的方式併入本文中之以下申請案中揭示關於各種致動器材料、幾何形狀及/或耦合設計之細節：標題為「Actuator」之美國專利第8,766,510號；標題為「Transducer」之美國專利第7,916,880號；標題為「Electromechanical Force Transducer」之美國專利第7,475,598號；標題為「Transducer」之美國專利第7,635,941號；標題為「Acoustic Devices」之美國專利第6,427,016號；標題為「Resonant Element Transducer」之美國專利第7,684,576號；標題為「Resonant Element Transducer」之美國專利第7,149,318號；標題為「Electro-dynamic exciter」之美國專利第6,618,487號。
一般而言，一多重共振耦合系統可併入作為另一裝置之部分，舉例而言，作為一膝上型電腦、平板電腦、數位相機或視訊錄影機，或可能併入具有可聽/振動回饋之一視覺顯示器(例如，平坦面板顯示器102)之其他裝置之部分。
一般而言，包含平坦面板顯示器102 (例如，具有或不具有一耦合氣隙)及致動器114之多重共振耦合系統120經設計以具有一共振頻率回應，該共振頻率回應與多重共振耦合系統120之組件之個別自然(或原生)共振頻率回應不同(例如，擴展至一較低頻率頻寬)。據信實體物件在共振頻率下具有自然機械共振模式。一振盪系統之一共振模式係其中系統之全部部分以相同頻率且以一固定相位關係(例如，形成一「駐波」)諧和地移動的一運動型樣。一實體物件(諸如一致動器或一平坦面板顯示器)具有一組共振模式，其中此等模式之頻率取決於該物件之結構、材料及邊界條件。當在此等自然共振頻率之一者下驅動一機械系統時，機械系統之回應具有比在其他非共振頻率下更高之一振幅(例如，聲學輸出)。共振下系統之機械阻抗(例如，系統在經受一諧和力時抵抗運動之程度)亦處於一局部最小值。一般而言，耦合共振器將具有與構成組件之共振頻率有關但與其不同的共振頻率。因此，一耦合系統之明智設計可允許吾等設計具有在低於組件之共振頻率之一頻率下之一共振的一系統。
參考圖2A，展示用於設計擴展平坦面板顯示器102 (例如，具有耦合氣隙)之低頻回應(例如，共振模式之位置)之一多重共振耦合系統120的一方法200。最初，在步驟202中判定平坦面板顯示器102之自然共振模式。此等模式可由於以介於每伏特10 mN與每伏特50 mN之間之力靈敏度驅動顯示器102所致。替代地或額外地，此等模式可由於以介於500 mN與1 N之間之力驅動顯示器102所致。基於此等共振模式之形狀，在步驟204中選擇驅動點118或致動器之附接點之位置。在步驟206中判定平坦面板顯示器102在驅動點118處之機械阻抗。最後，在步驟208中選擇一致動器設計用於在驅動點118處機械耦合至平坦面板顯示器102。
參考圖2B，揭示針對步驟208選擇一致動器設計之一方法210。致動器114在步驟212中設計為使其機械阻抗在機械驅動點118處匹配平坦面板顯示器102 (例如，具有耦合氣隙)之機械阻抗。在不希望受一特定理論約束之情況下，若致動器114及顯示器102之機械阻抗在驅動點處匹配不良，則兩個系統未充分耦合且無法有效地擴展顯示器之頻率回應。在步驟215中，致動器114設計為具有相較於平坦面板顯示器102之共振頻率模式的一第二不同(例如，較低)自然共振頻率。選定致動器可擴展平坦面板顯示器102之低頻回應(例如，共振模式之位置)。
在不希望受任何特定理論約束之情況下，下文將基於具有一平坦面板顯示器102之一智慧型電話100之一特定有限元素模型進一步詳細說明支援圖2A至圖2B中之選擇及設計方法之物理學。
一般而言，在一些實施方案中，可執行一多重共振耦合系統(例如，包含一致動器之平坦面板顯示器)之有限元素模型化(或假設集中參數數學模型化)以判定多重共振耦合系統之一或多個參數。一或多個參數可包含機械驅動點位置、包含於多重共振耦合系統中之一平坦面板顯示器之共振頻率模式、致動器機械阻抗、及致動器共振頻率。在一些實施方案中，模型可接收為平坦面板顯示器之輸入性質(例如，材料、尺寸)、機械接地連接、腔體(例如，空氣或低剛度開孔發泡體彈性體)。模型可額外地接收為與歸因於一或多個致動器之機械耦合之平坦面板顯示器之附加質量及局部硬化(其可能改變平坦面板顯示器之共振頻率)有關之輸入資訊。額外輸入可包含藉由放置裝置之其他部分(例如，諸如在電話100中放置其他電子器件110)、所要輸出(例如，聲學、觸覺)及使用模式(例如，揚聲器、接收器)強加之設計約束。
在用於圖3至圖4、圖6及圖8之模型中，觸控螢幕面板103由165×65×0.55 mm之鋁矽酸鹽玻璃製成。對角線尺寸158.8 mm (6.25吋)之一OLED顯示面板104接合至觸控螢幕面板之背部上。平坦面板顯示器經由一薄彈性膠帶106連接至一機械接地(例如，背部面板109)。包含顯示器後方之0.5 mm之一小氣隙及其他內部空氣空間之一腔體108包含於模型中。
圖3展示當在一系列頻率下沿顯示器102之主軸(圖1A中之線A-A)之兩個點處藉由30 mN之一力驅動時平坦面板顯示器102之自然共振模式之一圖表。明確言之，圖表展示顯示器102在由顯示器針對不同施加頻率產生之聲壓方面之回應，回應模型化為在遠離力源10 cm處量測。如圖表上展示，存在以下頻率下之共振模式：356 Hz、500 Hz、785 Hz、及800 Hz。圖4A至圖4D展示此等各種模式中之平坦面板顯示器102之等高線圖，其中等高線指示平坦面板顯示器102之一區域內之共振頻率回應之振幅。參考圖4A，356 Hz下之一非對稱模式3,2在面板之兩個端部處具有相反極性之兩個極點(或波腹) 400及402。參考圖4B，500 Hz下之一對稱模式4,2具有三個極點404、406及408。端部處之兩個極點404及408具有相同極性及振幅。中間極點406具有相反極性及側極點之兩倍振幅。參考圖4C，785 Hz下之一非對稱模式5,2具有交替極性之四個極點410、412、414、416。極點412之振幅係最大的，其後接著極點416、414，且410具有最小振幅。參考圖4D，800 Hz下之一鼓膜模式2,2歸因於與聲腔108耦合而失真。模式具有交替極性之3個極點418、420及422。顯示器之邊緣處之兩個極點418及422具有比中間之極點420明顯更大之振幅。
相較於其他形狀，平坦面板顯示器102之共振模式之某些形狀對於不同聲學/觸覺應用可能更有用。舉例而言，相較於圖4A、圖4C、圖4D中展示之其他模式，圖4B中之模式4,2對於聲學輻射及對於接近面板中心之觸覺回饋可能更有用，此係因為模式4,2之中心極點406。換言之，例如，當顯示器正用於展示視覺內容且定位於使用者前面時，模式(諸如4,2)可用於揚聲器模式。當電話100正用作一接收器時，例如，當一使用者之耳朵定位於兩個極點之一者附近以接電話時，一些模式(諸如模式3,2)可能更有用。
在不希望受任何特定理論約束之情況下，在顯示器上之特定位置(例如，驅動點118)處將致動器114附接至平坦面板顯示器102可增強電話在低於其對聲學及觸覺輸出有用之最低自然共振頻率(例如，500 Hz)下之低頻回應(例如，至300 Hz或350 Hz)。舉例而言，在智慧型電話之平坦面板顯示器之情況下，一淺聲腔(例如，在間隙108中)或開孔發泡體層與平坦面板顯示器102之模式強耦合，如上文中模型化。此耦合(如圖4A至圖4B中展示)可更改顯示器之自然模式形狀之序列，且增加對音頻輸出有用之第一對稱模式(例如，針對圖4B中之模型化實例之500 Hz下之模式4,2)之共振頻率。此效應可導致較低可聽/觸覺頻率下減小之面板102之聲學/觸覺回應。
設計為具有一特定阻抗及共振頻率之致動器114可在一選定驅動點118處耦合至平坦面板顯示器102以在低於500 Hz (例如，300 Hz至350 Hz)之頻率下達成一經改良聲學/觸覺輸出。如上文中描述，使用有限元素模型化來判定在一選定驅動點118處將致動器114添加至平坦面板顯示器102可如何用於將面板102之頻率回應擴展至較低頻率。舉例而言，添加致動器114可增加多重共振耦合系統120在面板之原生共振(例如，對於模型4,2，在500 Hz下)之回應且可能提供額外模式(例如，來自致動器114上之旋轉力)。多重共振耦合系統可將平坦面板顯示器102在一原生共振峰值下之回應增加達1至5分貝。回應之增加可取決於顯示器102之自然模式之阻尼，例如，歸因於與一氣隙耦合。額外地或替代地，多重共振耦合系統可形成一額外模式，該額外模式在低於平坦面板顯示器102之自然模式之共振頻率的一新共振頻率下提供1分貝至5分貝或至多10 dB或至多20 dB之增加回應。在不希望受任何特定理論約束之情況下，形成略微高於顯示器102之較低自然模式之額外模式亦可增加系統之回應(例如，使輸出在彼等頻率下更響)且可能使其平滑化。
致動器114及驅動點118之選取取決於多重共振耦合系統120之所要頻率輸出。舉例而言，對於聲學輸出(例如，在揚聲器模式中使用)，低頻效能較佳地在300 Hz至600 Hz之間相對連續。換言之，低頻(例如，約300 Hz)下之頻率回應中不存在明顯間隙。在此一情況中，有限元素模型(具有如上文中描述之輸入)展示將一致動器114與比相關面板120共振頻率(例如，聲學輸出之對稱4,2模式)低約2/3至1倍頻程(相關面板120共振頻率之63%至50%)下之共振耦合產生約300 Hz直至600 Hz之經改良相對連續低頻回應。
圖5A至圖5C展示一假設致動器114與顯示面板102之原生共振頻率之間之差異可如何改變多重共振耦合系統120之回應的集中參數數學模型化結果。參考圖5A，針對以下各者繪製針對一系列頻率之對於一假設驅動力之以分貝為單位之原生回應：一平坦面板顯示器(圖表502)，其具有500 Hz下之一對稱4,2共振峰值502(1)；一致動器(圖表504；「2/3倍頻程致動器」)，其具有比峰值502(1)低一倍頻程之2/3下之一共振頻率504(1)；及一第二致動器(圖表506；「1倍頻程致動器」)，其具有比峰值502(1)低1倍頻程下之一共振頻率506(1)。
參考圖5B，針對以下各者繪製針對一系列頻率之對於與圖5A中相同之假設驅動力之以分貝為單位之回應：一多重共振耦合系統(圖表508)，其組合平坦面板顯示器(在圖表502中)及2/3倍頻程致動器(在圖表504中)；及一多重共振耦合系統(圖表510)，其組合平坦面板顯示器(在圖表502中)及1倍頻程致動器(在圖表506中)。具有圖表508中之2/3倍頻程致動器之系統在顯示面板之500 Hz自然共振峰值下具有一增加輸出508(1)，及接近300 Hz之一額外峰值508(2)。具有圖表510中之1倍頻程致動器之系統在顯示面板之500 Hz自然共振峰值下具有一增加輸出510(1)，及接近250 Hz之一額外峰值510(2)。因此，圖5B展示具有比平坦面板顯示器4,2模式峰值之自然共振頻率低2/3至1倍頻程之一自然共振頻率之一致動器當在約250 Hz至500 Hz之頻率下耦合至顯示器時可提供一增加系統回應。此一相對連續回應可能對於電話100之一聲學揚聲器使用模式有益。
對於觸覺輸出(例如，低於300 Hz)，多重共振系統120之低頻下之回應可能與較高頻率(例如，500 Hz)下之回應不連續。可藉由將平坦面板顯示器102與具有與平坦面板顯示器之4,2模式之超過3/2或2倍頻程之一共振頻率差異之致動器耦合而達成觸覺頻率下之足夠回應。
參考圖5C，針對以下各者繪製針對一系列頻率之對於與圖5A至圖5B中相同之一假設驅動力之以分貝為單位之回應：一多重共振耦合系統(圖表512)，其組合平坦面板顯示器(在圖表502中)及具有比面板之4,2模式低3/2倍頻程之一共振峰值之一致動器(「3/2倍頻程致動器」)；及一多重共振耦合系統(圖表514)，其組合平坦面板顯示器(在圖表502中)及具有比面板之4,2模式低2倍頻程之一共振峰值之一致動器(「2倍頻程致動器」)。具有圖表512中之3/2倍頻程致動器之系統在顯示面板之500 Hz自然共振峰值下具有一增加輸出512(1)，及接近200 Hz之一額外峰值512(2)。具有圖表514中之2倍頻程致動器之系統在顯示面板之500 Hz自然共振峰值下具有一增加輸出514(1)，及接近150 Hz之一額外峰值514(2)。因此，圖5C展示具有比平坦面板顯示器4,2模式峰值之自然共振頻率低3/2至2倍頻程之一自然共振頻率之一致動器當在約150 Hz至200 Hz之頻率下耦合至顯示器時可提供一增加系統回應。低頻回應之改良較不均勻或連續，但峰值512(2)及514(2)之額外輸出對於觸覺輸出有用。此等峰值對於「接收器模式」之緊密耦合聲學亦可係有用的，其中使用者將其等耳朵置於顯示器之一側以接收電話呼叫。在不希望受任何特定理論約束之情況下，「接收器模式」可容忍回應之較小連續性，此係因為接收器模式可能(例如)比揚聲器模式更安靜，因此可能存在可用於頻率回應之均衡化之更大餘量(headroom)。
可選擇致動器114之共振頻率以產生上文中論述之聲學/觸覺應用之所要輸出(如圖5B至圖5C中展示)。致動器之自然共振取決於致動器幾何形狀及至平坦面板顯示器102之附接機構。致動器之材料、長度、形狀及質量(舉例而言)可經修改以達成應用所要求之共振回應。預期各種不同致動器材料及幾何形狀，如上文中論述。舉例而言，對於一壓電樑致動器，可使用針對懸臂樑模式之眾所周知公式來進行共振頻率的估計。可使用有限元素模型化來獲得一更準確值。對於較簡單類型之致動器，可能存在一簡單質量-彈簧系統，可從該系統計算共振頻率。
在不希望受任何特定理論約束之情況下，除為致動器114選擇適當共振頻率以外，亦可控制致動器如何耦合至平坦面板顯示器102以產生圖5B至圖5C中展示之應用相依結果。如下文中詳述，適當耦合包含在一特定驅動點118處將致動器114附接至平坦面板顯示器102及為致動器選擇一機械阻抗，該機械阻抗在為增強選擇之頻率範圍(例如，300 Hz至600 Hz)下匹配驅動點118處之平坦面板顯示器102之機械阻抗。
可基於電話100之設計約束及顯示器102之共振模式(例如，如圖4A至圖4D中展示)之形狀來選擇機械驅動點118以將致動器114機械耦合至平坦面板顯示器102。可限制驅動點118位置之電話之設計約束包含電話100之間隙108中之其他元件之位置，諸如電子器件110 (例如，電池、電路板、佈線等)。舉例而言，若電子器件110居中定位於平坦面板顯示器102下方，則驅動點118必須被選擇為較接近顯示器之邊緣。
額外地或替代地，可基於用於平坦面板顯示器102之一特定共振模式(例如，4,2共振模式)之一或多個極點(例如，404、408)之位置來選擇驅動點118。在不希望受一特定理論約束之情況下，驅動點118判定針對多重共振耦合系統120可達成哪些模式。舉例而言，將驅動點耦合至平坦面板顯示器102之一自然共振模式極點之位置可導致組合致動器/顯示器系統中之該模式之增強(例如，如圖5B中之峰值508(1)或圖8中之峰值820(2)展示)。
在一些實施例中，驅動點沿顯示器102之主軸(例如，沿圖1A中之線A-A)定位，遠離邊緣達顯示器之長度之5%至10%，或至多30%，或至多50%。
在一些實施方案中，預期輸出頻率範圍(例如，低頻聲學輻射或觸覺回饋)亦可在平坦面板顯示器102上判定針對致動器114之一適當機械驅動點118。舉例而言，對於揚聲器模式中之聲學輻射輸出，一機械驅動點118可被選擇為處於平坦面板顯示器102之一面板共振模式之一中心極點(例如，406、420)。在不希望受任何特定理論約束之情況下，有效揚聲器模式聲學輸出受益於面板之一些淨位移，且在中心附近驅動顯示器102通常有利於此輸出(例如，圖4B及圖4D中展示之模式)。對於觸覺回饋回應(例如，低於300 Hz之頻率下之回應)或接收器模式，可在平坦面板顯示器102之一邊緣附近之一側極點(例如，波腹400或402)處選擇一機械驅動點118 (例如，圖4A中展示之模式)。在不希望受任何特定理論約束之情況下，將驅動點定位於一側極點處可為觸覺提供較低頻率下之有利輸出(例如，模式3,2係顯示器102之最低頻率共振模式)及/或為接收器模式提供足夠輸出(例如，在近場聲學)。
致動器114可被選擇為具有一機械阻抗，該機械阻抗在為增強選擇之頻率範圍(例如，300 Hz至600 Hz)下近似匹配驅動點118處之平坦面板顯示器102 (耦合至間隙108)之機械阻抗。機械阻抗判定一實體系統在經受一諧和力(例如，在一特定頻率下)時抵抗運動之程度。舉例而言，顯示器102之阻抗取決於顯示器102之材料及尺寸、電話100之懸置機構106及耦合至平坦面板顯示器102之氣隙(間隙108之部分)。不同顯示器及致動器取決於其等阻抗而針對一共同指定力產生不同最大速度。在不希望受一特定理論約束之情況下，若致動器114及顯示器102 (或耦合至一氣隙之顯示器102，如在上文中描述之模型中)之機械阻抗在驅動點處(在驅動頻率下)不匹配，則兩個系統不耦合(例如，其等獨立地振盪)且無法擴展顯示器之頻率回應。
另外，選擇致動器阻抗對於輸出效率而言係重要的。藉由致動器力且藉由致動器114及顯示器102阻抗共同判定顯示器102之速度(例如，輸出)。舉例而言，在固態壓電致動器之情況下，高致動器力可能伴隨高源(致動器)阻抗(例如，力及阻抗係成比例的)，故選擇正確致動器可係重要的。歸因於高阻抗，過多力可能無法產生有用額外聲學輸出，同時耗費更多能量。過少力可能導致效能之降低。
圖6展示當在一系列頻率下沿顯示器102之主軸(圖1A中之線A-A)藉由30 mN之一力驅動時平坦面板顯示器102 (耦合至一氣隙且具有上文中描述之性質)之阻抗(以Ns/m為單位)之一圖表。阻抗在800 Hz之鼓膜(2,2)模式之頻率下達到一最小值。低於此頻率，阻抗基本上係一彈簧之阻抗，與頻率大致成反比。圖6展示平坦面板顯示器120在約300 Hz之頻率下之沿主軸之回應係低的(如圖3中所見)，此係因為顯示器在彼等頻率下之阻抗係高的。在一些實施例中，致動器114之目標阻抗經設計為近似匹配耦合系統120之低頻截止(例如，300 Hz下約30 Ns/m)。標定截止頻率取決於待增強之所要應用(例如，聲學/觸覺、揚聲器/接收器)，如上文中描述。在一些實施例中，致動器114之阻抗之範圍可在10 Ns/m與50 Ns/m之間，或甚至100 Ns/m。在一選定頻率下及驅動點處，致動器阻抗可在顯示器102之目標阻抗之50%與200%之間變化。
可(舉例而言)藉由改變致動器之物理性質之一或多者而調諧致動器114之機械阻抗。致動器114之阻抗取決於致動器幾何形狀。舉例而言，可修改致動器之材料、長度、形狀及質量以達成阻抗匹配。預期各種不同致動器材料及幾何形狀，如上文中論述。
在一些實施方案中，兩個或兩個以上致動器可包含於一多重共振耦合系統中。包含機械耦合至一平坦面板顯示器之兩個或兩個以上致動器之一多重共振耦合系統可進一步增強多重共振耦合系統之一低頻頻寬回應。圖7A至圖7B係此等多致動器多重共振耦合系統之示意圖。
參考圖7A，一多重共振耦合系統700包含兩個致動器114(1)及114(2)，其等各自在沿平坦面板顯示器120之主軸(沿圖1A中之線A-A)定位於對稱位置(例如，在相反方向上與平坦面板顯示器120之中心近似等距)之各自驅動點118(1)及118(2)處機械耦合至平坦面板顯示器120。在另一對稱共振頻率回應峰值下添加一第二致動器可進一步增強多重共振耦合系統700之較低頻率下之一聲學輸出(例如，增加可達成之分貝位準)。在一些實施例中，驅動點係平坦面板顯示器102沿主軸遠離顯示器之各自邊緣之長度之5%至10%，或至多20%，或至多30%。
相較於在驅動點118(1)及118(2)處藉由相同力驅動之耦合系統700之共振模式之一曲線820，圖8基於上文中描述之有限元素模型展示在一系列頻率下(如圖3中)沿顯示器102之主軸(圖1A中之線A-A)藉由30 mN之一力驅動時平坦面板顯示器102之自然共振模式之一曲線810。在不希望受任何特定理論約束之情況下，圖8展示歸因於致動器114(1)及114(2)之附接之平坦面板顯示器102之附加質量及局部硬化改變系統700之共振頻率。耦合系統700改變顯示面板102 (加上耦合氣隙)之對稱性，使得非對稱(3,2)模式開始在300 Hz下給出一些聲學輸出，如在峰值820(1)展示。另外，由擺動懸臂致動器114(1)及114(2)產生之力矩(例如，除一法向力以外之扭矩)提供有用的額外低頻力。亦產生250 Hz、峰值820(2)下之一額外新耦合模式。
在一些實施例中，額外致動器可沿平坦面板顯示器之主軸放置於非對稱位置。參考圖7B，一多重共振耦合系統710包含兩個致動器114(1)及114(2)，其等各自在沿平坦面板顯示器120之主軸(沿圖1A中之線A-A)定位於非對稱位置(例如，與平坦面板顯示器120之中心不等距)之各自驅動點118(1)及118(2)處機械耦合至平坦面板顯示器120。在一些實施例中，驅動點118(1)係平坦面板顯示器102沿主軸遠離顯示器之邊緣之一者之長度之5%至10%，或至多20%，或至多30%。在一些實施例中，驅動點118(2)係平坦面板顯示器102沿主軸遠離顯示器之相同邊緣之長度之20%至40%，或至多50%，或至多70%。
在不希望受任何特定理論約束之情況下，致動器之放置之非對稱允許致動器提供不同模式增強，其中一個致動器可能填充由於另一致動器所致之增強間隙。舉例而言，一個致動器可增強聲學輸出(300 Hz至600 Hz)之共振模式且另一致動器可增強觸覺輸出(低於300 Hz)。替代地或額外地，兩個致動器可增強聲學輸出，但針對不同使用模式。舉例而言，致動器之一者可在接收器模式之一較低回應位準下增強較寬範圍之低頻頻寬，而另一致動器可在揚聲器模式之一較高回應位準下增強一較窄低頻頻寬。
可在數位電子電路中，或在電腦軟體、韌體或硬體(包含本說明書中揭示之結構及其等結構等效物)中，或在其等之一或多者之組合中實施本說明書中描述之標的及操作之實施例。本說明書中描述之標的之實施例可經實施為一或多個電腦程式，即，在電腦儲存媒體上編碼以由資料處理設備執行或控制資料處理設備之操作之電腦程式指令之一或多個模組。
圖9係一例示性電腦系統900之一示意圖。可使用系統900來實行結合先前描述之實施方案所描述之操作(例如，控制器92之彼等操作)。在一些實施方案中，可在數位電子電路中、在有形體現之電腦軟體或韌體中、在電腦硬體(包含本說明書中揭示之結構(例如，系統900)及其等結構等效物)中，或在其等之一或多者之組合中實施上文中描述之運算系統及裝置及功能操作。系統900意欲包含各種形式之數位電腦，諸如膝上型電腦、桌上型電腦、工作站、個人數位助理、伺服器、刀片伺服器、主機及其他適當電腦，包含安裝於模組化工具之基底單元或艙單元上之工具。系統900亦可包含行動裝置，諸如個人數位助理、蜂巢式電話、智慧型電話及其他類似運算裝置。另外，系統可包含可攜帶儲存媒體，諸如通用串列匯流排(USB)快閃隨身碟。舉例而言，USB快閃隨身碟可儲存作業系統及其他應用程式。USB快閃隨身碟可包含輸入/輸出組件，諸如一無線傳輸器或可插入至另一運算裝置之一USB埠中之USB連接器。
系統900包含一處理器910、一記憶體920、一儲存裝置930及一輸入/輸出裝置940。組件910、920、930及940之各者使用一系統匯流排950來互連。處理器910能夠處理用於在系統900內執行之指令。可使用若干架構之任一者來設計處理器。舉例而言，處理器910可係一CISC (複雜指令集電腦)處理器、一RISC (精簡指令集電腦)處理器或一MISC (最小指令集電腦)處理器。
在一個實施方案中，處理器910係一單執行緒處理器。在另一實施方案中，處理器910係一多執行緒處理器。處理器910能夠處理儲存於記憶體920中或儲存於儲存裝置930上之指令以在輸入/輸出裝置940上顯示一使用者介面之圖形資訊。
記憶體920儲存系統900內之資訊。在一個實施方案中，記憶體920係一電腦可讀媒體。在一個實施方案中，記憶體920係一揮發性記憶體單元。在另一實施方案中，記憶體920係一非揮發性記憶體單元。
儲存裝置930能夠為系統900提供大容量儲存。在一個實施方案中，儲存裝置930係一電腦可讀媒體。在各種不同實施方案中，儲存裝置930可係一軟碟裝置、一硬碟裝置、一光碟裝置或一磁帶裝置。
輸入/輸出裝置940為系統900提供輸入/輸出操作。在一個實施方案中，輸入/輸出裝置940包含一鍵盤及/或指標裝置。在另一實施方案中，輸入/輸出裝置940包含用於顯示圖形使用者介面的一顯示單元。
描述之特徵可在數位電子電路中或在電腦硬體、韌體、軟體中或在其等之組合中實施。設備可在有形地體現在一資訊載體中(例如，在一機器可讀儲存裝置中)以供一可程式化處理器執行之一電腦程式產品中實施；且可由執行指令之一程式之一可程式化處理器執行方法步驟以藉由對輸入資料操作且產生輸出而執行所描述實施方案之功能。可在可在包含至少一個可程式化處理器之一可程式化系統上執行之一或多個電腦程式中有利地實施所描述特徵，該至少一個可程式化處理器經耦合以自一資料儲存系統、至少一個輸入裝置及至少一個輸出裝置接收資料及指令，且將資料及指令傳輸至其等。一電腦程式係可直接或間接用於一電腦中以執行某一活動或導致某一結果的一指令集。一電腦程式可以任何形式之程式設計語言(包含編譯或解譯語言)撰寫，且其可以任何形式(包含作為一獨立程式或作為一模組、組件、副常式，或適於用於一運算環境中之其他單元)部署。
用於執行指令之一程式之適合處理器藉由實例包含通用微處理器及專用微處理器兩者，及任何種類之電腦之唯一處理器或多個處理器之一者。通常，一處理器將自一唯讀記憶體或一隨機存取記憶體或該兩者接收指令及資料。一電腦之必要元件係用於執行指令之一處理器及用於儲存指令及資料之一或多個記憶體。通常，一電腦亦將包含用於儲存資料檔案之一或多個大容量儲存裝置或以操作方式耦合以與一或多個大容量儲存裝置通信；此等裝置包含：磁碟，諸如內部硬碟及可移除磁碟；磁光碟；及光碟。適於有形地體現電腦程式指令及資料之儲存裝置包含全部形式之非揮發性記憶體，包含(藉由實例)：半導體記憶體裝置，諸如EPROM、EEPROM及快閃記憶體裝置；磁碟，諸如內部硬碟或可移除磁碟；磁光碟；及CD-ROM及DVD-ROM光碟。處理器及記憶體可由ASIC (特定應用積體電路)補充或併入於ASIC中。
為提供與一使用者之互動，可在具有用於將資訊顯示給使用者之一顯示器(諸如一CRT (陰極射線管)或LCD (液晶顯示器)監測器)及一鍵盤及一指標裝置(諸如一滑鼠或一軌跡球，使用者可藉由其提供輸入至電腦)之一電腦上實施特徵。另外，可經由觸控螢幕平坦面板顯示器及其他適當機構實施此等活動。
可在包含一後端組件(諸如一資料伺服器)或包含一中介軟體組件(諸如一應用程式伺服器或一網際網路伺服器)或包含一前端組件(諸如具有一圖形使用者介面或一網際網路瀏覽器之一用戶端電腦)或其等之任何組合之一電腦系統中實施特徵。系統之組件可藉由任何形式或介質之數位資料通信(諸如一通信網路)連接。通信網路之實例包含一區域網路(「LAN」)、一廣域網路(「WAN」)、同級間網路(具有特用或靜態成員)、網格運算基礎架構及網際網路。
電腦系統可包含用戶端及伺服器。一用戶端及伺服器通常遠離彼此且通常透過諸如所描述網路之一網路互動。用戶端及伺服器之關係鑑於在各自電腦上運行且具有相對於彼此之一用戶端-伺服器關係之電腦程式而產生。
雖然本說明書含有許多特定實施方案細節，但此等不應被解釋為對任何發明之範疇或對可主張之內容之範疇之限制，而係解釋為特定於特定發明之特定實施方案之特徵之描述。本說明書中在單獨實施方案之背景內容中描述之某些特徵亦可在一單一實施方案中組合實施。相反地，在一單一實施方案之背景內容中描述之各種特徵亦可在多個實施方案中單獨地或以任何適合子組合實施。此外，儘管特徵在上文中可描述為以某些組合起作用且甚至最初照此主張，然來自一主張組合之一或多個特徵在一些情況中可自組合刪除，且主張組合可能係關於一子組合或一子組合之變化例。
類似地，雖然在圖式中以一特定順序描繪操作，但此不應被理解為要求以展示之特定順序或以循序順序執行此等操作，或執行全部圖解說明操作，以達成所要結果。在某些情境中，多任務及並行處理可係有利的。此外，上文中描述之實施方案中之各種系統組件之分離不應被理解為在全部實施方案中要求此分離，且應瞭解，描述之程式組件及系統通常可一起整合於一單一軟體產品中或封裝成多個軟體產品。
因此，已描述標的之特定實施方案。其他實施方案在以下發明申請專利範圍之範疇內。在一些情況中，發明申請專利範圍中敘述之動作可按一不同順序執行且仍達成所要結果。另外，附圖中描繪之程序不一定要求展示之特定順序，或循序順序，以達成所要結果。在某些實施方案中，多任務及並行處理可係有利的。
100:行動電話/智慧型電話 102:平坦面板顯示器 103:觸控螢幕面板/觸控螢幕 104:顯示層/顯示面板 106:懸置機構(安裝件)/薄彈性膠帶 108:間隙 109:背部面板 110:電子器件 112:位置 112(1):位置 114:致動器 114(1):致動器 114(2):致動器 116:耦合器 118:驅動點 118(1):驅動點 118(2):驅動點 120:多重共振耦合系統 122:控制器 200:方法 202:步驟 204:步驟 206:步驟 208:步驟 210:方法 212:步驟 400:極點(波腹) 402:極點(波腹) 404:極點 406:中間極點 408:極點 410:極點 412:極點 414:極點 416:極點 418:極點 420:中心極點 422:極點 502:圖表 502(1):對稱4,2共振峰值 504:圖表 504(1):共振頻率 506:圖表 506(1):共振頻率 508:圖表 508(1):增加輸出/峰值 508(2):額外峰值 510:圖表 510(2):額外峰值 512:圖表 512(1):增加輸出 512(2):額外峰值 514:圖表 514(1):增加輸出 514(2):額外峰值 700:多重共振耦合系統 710:多重共振耦合系統 810:曲線 820:曲線 820(1):峰值 820(2):峰值 900:例示性電腦系統 910:處理器 920:記憶體 930:儲存裝置 940:輸入/輸出裝置 950:系統匯流排
圖1A係包含一多重共振耦合系統之一行動電話裝置之一透視圖。
圖1B係圖1A中展示之行動電話裝置之一示意圖橫截面。
圖1C係圖1B中展示之多重共振耦合系統之一部分之一示意性橫截面。
圖2A及圖2B係用於使用一多重共振耦合系統擴展一平坦面板顯示器之一低頻回應之一例示性程序之流程圖。
圖3係針對一系列頻率之一平坦面板顯示器之自然共振回應之一圖表。
圖4A至圖4D係指定頻率下之一平坦面板顯示器之自然共振模式之三維表面圖。
圖5A係針對一例示性多重共振耦合系統之各個組件之頻率對比分貝位準之一圖表。
圖5B至圖5C係針對各個多重共振耦合系統之頻率對比分貝位準之圖表。
圖6係針對一系列頻率之一平坦面板顯示器之機械阻抗之一對數圖。
圖7A至圖7B係其他例示性多重共振耦合系統之示意性橫截面。
圖8係針對一系列頻率比較一平坦面板顯示器之自然共振回應與一多重共振耦合系統之回應的一圖表。
圖9係可係上文中描述之裝置之部分或結合上文中描述之裝置使用之一例示性電腦系統之一示意圖。
各個圖式中之相同元件符號及名稱指示相同元件。
102:平坦面板顯示器
103:觸控螢幕面板/觸控螢幕
104:顯示層/顯示面板
106:懸置機構(安裝件)/薄彈性膠帶
108:間隙
109:背部面板
110:電子器件
114:致動器
118:驅動點

Claims (20)

  1. 一種具有包括複數個共振頻率之一耦合共振頻率回應之系統，該系統包括： 一彎曲波(bending-wave)面板，其具有一面板共振頻率回應，該面板共振頻率回應對應於該彎曲波面板之一組成、形狀及結構，該面板共振頻率回應包括包含對於聲學(acoustic)輸出有用之一最低共振頻率之複數個共振頻率；及 複數個致動器，該複數個致動器之各者具有對應於該致動器之一組成、大小及形狀之一致動器共振頻率回應，該致動器共振頻率回應包括一致動器共振頻率； 其中各致動器在一不同機械驅動點處機械地耦合至該彎曲波面板，且其中該系統之該耦合共振頻率回應之一共振頻率低於該面板共振頻率或該等致動器共振頻率之任一者。
  2. 如請求項1之系統，其進一步包括一控制器，該控制器經程式化以提供一電信號以驅動該複數個致動器之各者，使得各致動器產生其致動器共振頻率回應。
  3. 如請求項1之系統，其中基於該彎曲波面板之一面板共振模式來選擇各機械驅動點，該複數個致動器之各者具有經選擇以在其各自機械驅動點處匹配該彎曲波面板之一機械阻抗的一機械阻抗。
  4. 如請求項1之系統，其中該複數個致動器之一第一致動器之一第一機械驅動點相對於該複數個致動器之一第二致動器之一第二機械驅動點係非對稱的，且其中該第一致動器在該第一機械驅動點處具有一低頻共振，該低頻共振不同於該第二致動器之一低頻共振。
  5. 如請求項1之系統，其中在一各自機械驅動點處機械性耦合至該彎曲波面板之各致動器提供一各自低頻頻寬及針對一給定低頻頻寬之一各自位準。
  6. 如請求項5之系統，其中一第一各自低頻頻寬對應於該彎曲波面板之一觸覺回應，且一第二各自低頻頻寬對應於該彎曲波面板之一聲學回應。
  7. 如請求項1之系統，其中該致動器之該致動器共振頻率回應比該彎曲波面板之該面板共振頻率回應低2/3至1倍頻程(octave)。
  8. 如請求項1之系統，其中該致動器共振頻率回應係在相對於該彎曲波面板之一基本共振頻率回應之一較低頻率範圍。
  9. 如請求項8之系統，其中該耦合共振頻率回應係在300 Hz至600 Hz之一範圍內。
  10. 如請求項1之系統，其中該系統係一行動裝置之一組件。
  11. 如請求項1之系統，其中該致動器係一分佈模式致動器。
  12. 如請求項1之系統，其進一步包括形成一聲腔(acoustic cavity)之一氣隙。
  13. 如請求項12之方法，其中該聲腔與該彎曲波面板之該複數個共振頻率之至少一者耦接。
  14. 一種行動裝置，其包括： 一外殼； 一處理單元； 一記憶體； 一顯示面板，其安裝於該外殼中，該顯示面板包含一彎曲波面板，該彎曲波面板具有對應於該彎曲波面板之一組成、形狀及結構之一面板共振頻率回應，該面板共振頻率回應包括包含對於聲學輸出有用之一最低共振頻率之複數個共振頻率；及 複數個致動器，該複數個致動器之各者具有對應於該致動器之一組成、大小及形狀之一致動器共振頻率回應，該致動器共振頻率回應包括一致動器共振頻率； 其中各致動器在一不同機械驅動點處機械地耦合至該彎曲波面板，且其中該系統之該耦合共振頻率回應之一共振頻率低於該面板共振頻率或該等致動器共振頻率之任一者。
  15. 如請求項14之方法，其中該行動裝置係一行動電話或一平板電腦。
  16. 如請求項15之方法，其進一步包括一控制器，該控制器經程式化以提供一電信號以驅動該複數個致動器之各致動器，使得各致動器產生其致動器共振頻率回應。
  17. 如請求項14之方法，其中基於該彎曲波面板之一面板共振模式來選擇各機械驅動點，該複數個致動器之各致動器具有經選擇以在其各自機械驅動點處匹配該彎曲波面板之一機械阻抗的一機械阻抗。
  18. 一種可穿戴裝置，其包括： 一外殼； 一處理單元； 一記憶體； 一顯示面板，其安裝於該外殼中，該顯示面板包含一彎曲波面板，該彎曲波面板具有對應於該彎曲波面板之一組成、形狀及結構之一面板共振頻率回應，該面板共振頻率回應包括包含對於聲學輸出有用之一最低共振頻率之複數個共振頻率；及 複數個致動器，該複數個致動器之各者具有對應於該致動器之一組成、大小及形狀之一致動器共振頻率回應，該致動器共振頻率回應包括一致動器共振頻率； 其中各致動器在一不同機械驅動點處機械耦合至該彎曲波面板，且其中該系統之該耦合共振頻率回應之一共振頻率低於該面板共振頻率或該等致動器共振頻率之任一者。
  19. 如請求項18之方法，其中該可穿戴裝置係一智慧手錶或一頭戴式顯示器。
  20. 如請求項19之方法，其進一步包括一控制器，該控制器經程式化以提供一電信號以驅動該複數個致動器之各致動器，使得各致動器產生其致動器共振頻率回應。
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