TWI727295B - 具有軸向及徑向磁化電路之分佈式模式揚聲器電磁致動器 - Google Patents

具有軸向及徑向磁化電路之分佈式模式揚聲器電磁致動器 Download PDF

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Abstract

一種電磁致動器包含：一內部磁體，其相對於一軸配置；一外部磁體，其配置成與該軸相距一徑向距離，該外部磁體之一內部徑向壁面向該內部磁體之一外部徑向壁，該內部徑向壁及該外部徑向壁藉由一氣隙分離；一音圈，其配置於分離該內部磁體與該外部磁體之該氣隙中；及一致動器耦合板，其附接至該音圈。該內部磁體經軸向磁化且該外部磁體經徑向磁化。在裝置之操作期間，該音圈之電啟動引起該致動器耦合板之軸向運動。

Description

具有軸向及徑向磁化電路之分佈式模式揚聲器電磁致動器
本發明大體上係關於音訊轉換器，特定言之係關於一低質量、小型、高功率音訊轉換器之設計。
許多習知揚聲器藉由以一隔膜引入活塞狀運動而產生聲音。相比之下，諸如分佈式模式揚聲器(DML)之面板音訊揚聲器藉由透過一電聲致動器在一面板中引入均勻分佈之振動模式而操作。通常，致動器係電磁或壓電致動器。
習知面板音訊揚聲器磁體系統可因軟磁材料隨著增加之頻率而增加電感及電阻抗而具有效能限制。電感之此增加可具有缺點，包含在高頻率下聲輸出之一降低。
一音圈導體之溫度及電阻亦趨於隨著增加之電流而增加，此可引起功率壓縮且限制由致動器產生之最大力。因此，可有必要最大化由致動器產生之力之效率。
當一致動器之封裝大小有限時，一薄磁盤(magnet disc)之使用通常結合一鐵杯(ferrous cup)及極片一起使用，諸如在圖1中之橫截 面中展示之致動器中。此處，一致動器100以橫截面展示且包含塑形為一薄盤之一永久磁體120及一音圈140。音圈140包含纏繞於連接至一致動器耦合板150之一管的音圈繞組145，致動器耦合板150在完全組裝時附接至面板音訊揚聲器之一面板。磁體120容置於一軟磁杯110(例如，一鐵杯)中且夾置於磁杯110之一基座111與一軟磁頂板130或極片之間。磁杯110經由彈簧元件附接至一框架(未展示)，框架可附接至致動器耦合板150、相對於音圈140懸掛磁杯、磁體120及頂板130。磁杯110之側壁112與磁體120及頂板130之間存在一氣隙160。音圈140定位於氣隙中。
磁體120經軸向磁化。換言之，永久磁體之極沿軸向方向對準。當音圈通電時，其產生與永久磁體之磁場相互作用之一磁場，而使磁杯、磁體及頂板相對於音圈軸向位移。
致動器100之拓撲可在其力產生方面受限制，此係歸因於與在由極片產生之氣隙之內面處經歷的通量密度相比，在氣隙之外面處經歷之通量密度降低。此降低氣隙中存在之總通量密度，此對應於力輸出之一降低。
一般而言，在一個態樣中，本發明之特徵係一種裝置，該裝置包含：一內部磁體，其相對於一軸配置；一外部磁體，其配置成與該軸相距一徑向距離，該外部磁體之一內部徑向壁面向該內部磁體之一外部徑向壁，該內部徑向壁及該外部徑向壁藉由一氣隙分離；一音圈，其配置於分離該內部磁體與該外部磁體之該氣隙中；及一致動器耦合板，其附接至該音圈。該內部磁體經軸向磁化且該外部磁體經徑向磁化。在該裝置之操作期間，該音圈之電啟動引起該致動器耦合板之軸向運動。
該裝置之實施方案可包含以下特徵之一或多者。例如，該內部磁體及該外部磁體可關於軸向旋轉對稱。
該裝置可包含附接至該內部磁體及該外部磁體之一軟磁材料。例如，該裝置可包含在該軸向方向上在該內部磁體及該外部磁體之相對側上且包括該軟磁材料的板。在一些實施例中，該裝置包含由該軟磁材料組成之一軛。
該裝置在該軸向方向上可具有10mm或更小(例如，8mm或更小、5mm或更小、4mm或更小、3mm或更小)之一最大尺寸。
在另一態樣中，本發明之特徵係一種面板音訊揚聲器，其包含該裝置及機械附接至該致動器耦合板之一面板。該面板可包含一顯示面板(例如，一OLED或LCD顯示面板)。該面板可包含一觸控面板。該裝置可經組態以產生音訊及/或觸覺回應。
在另一態樣中，本發明之特徵係一種行動裝置，其包含該面板音訊揚聲器。該行動裝置可為一行動電話或一平板電腦。在一些實施例中，該行動裝置係一穿戴式裝置。
在其他優點中，本發明之特徵係面板音訊揚聲器，其等裝配在一有限實體空間內且在一規定音訊頻寬內提供足夠力，且激發一隔膜內之振動模式並包括一足夠小封裝大小。例如，面板音訊揚聲器系統包含一致動器，該致動器相對於具有用於定位此一致動器之有限空間的應用之一小型封裝大小內的電輸入具有足夠力輸出效率。該等致動器可經設計以在最佳化之一頻寬下指定致動器/隔膜基本諧振頻率以提供觸覺回饋及一恆力頻寬。
本技術適用於經設計以提供聲學及/或觸覺回饋之面板音訊 系統。該面板可為例如基於OLED技術之一顯示系統。該面板可為一智慧型電話或穿戴式裝置之部分。
自描述、圖式及技術方案將明白其他優點。
100:致動器
110:磁杯
111:基座
112:側壁
120:磁體
130:頂板
140:音圈
145:音圈繞組
150:致動器耦合板
160:氣隙
300:致動器
310:軟磁杯
320:磁體
322:磁體
330:頂板
340:音圈
345:繞組
350:耦合板
360:氣隙
400:致動器
410:軟磁杯/軟磁軛)
420:內部磁體
422:外部磁體
430:頂板
440:音圈
445:繞組
450:致動器耦合板
460:氣隙
500:行動裝置/智慧型電話/行動電話
502:裝置殼體
504:觸控面板顯示器/顯示面板
510:致動器
520:電子控制模組
530:電池
600:電子控制模組/電子裝置
602:信號匯流排
610:處理器
620:記憶體
630:顯示器驅動器
640:信號產生器
650:輸入/輸出(I/O)模組
660:網路/通信模組
圖1係適用於一分佈式模式揚聲器(DML)之一電路致動器之一實施例之一橫截面視圖。
圖2係展示依據頻率而變化之一特性致動器力之一曲線圖。
圖3係一DML電路致動器之另一實施例之一橫截面視圖。
圖4係一DML電路致動器之又一實施例之一截面透視圖。
圖5A及圖5B展示包含具有一致動器之一面板音訊揚聲器的一行動裝置之一實施例。
圖6係用於將驅動信號提供至一致動器之一電子控制模組之一實施例之一示意圖。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張2018年4月6日申請之標題為「DISTRIBUTED MODE LOUDSPEAKER ELECTROMAGNETIC ACTUATOR WITH AXIALLY & RADIALLY MAGNETIZED CIRCUIT」之美國申請案序號62/654,173之優先權，該案之全部內容以引用的方式併入本文中。
一般而言，本發明之特徵係將一軸向磁化磁體組合於一環形徑向磁化壁內之電磁轉換器。據信，與習知轉換器相比，此等轉換器每 實體大小及質量可產生更多功率。據信，可藉由組合例如一薄的平坦軸向磁化釹磁體與一(若干)薄壁徑向磁化磁體兩者而實現此增加的功率。
此一致動器可具有如圖2中展示之一特性力對頻率行為。此處，垂直軸顯示一力因數，而水平軸顯示從100Hz至20kHz之頻率。兩個軸皆以對數尺度展示。致動器力在一諧振頻率F0下(在此情況中，在約200Hz下)達到峰值。在更高頻率(例如，在所展示實例中，500Hz至5kHz)下，力對頻率回應係相對恆定的。在更高頻率(例如，10kHz至20kHz)下，力因數隨著音圈電感愈來愈多地影響回應而單調減小。
圖3以橫截面描繪此一致動器之一實例。明確言之，圖3描繪一圓形軸對稱面板音訊揚聲器致動器300，其使用一軸向磁化盤狀磁體320、一徑向磁化圓柱形磁體322兩者及一音圈340，音圈340具有定位於介於一軟磁頂板330與一軟磁杯310之間之一磁性氣隙360中的繞組345。如上文提及，軸向磁化意謂磁體320使其磁極在軸向方向上對準，如圖3中描繪。徑向磁化意謂磁體322之磁極在徑向方向上對準，徑向方向垂直於軸向方向。在徑向方向上，氣隙360定位於磁體320與磁體322之間。音圈340將致動器300連接至一耦合板350以產生至一隔膜(板，圖3中未展示)之一恆力，以激發該隔膜之多個振動模式而產生聲輸出。
一般而言，磁體可由可永久磁化之一材料形成，諸如稀土磁體材料。例示性材料包含釹鐵硼、釤鈷、鋇鐵氧體及鍶鐵氧體。
軟磁板及杯可由可容易在存在一外部磁場之情況下磁化且在外部磁場經移除時消磁之一或多個材料形成。通常，此等材料具有高磁導率。實例包含高碳鋼及鐵鈷釩磁性合金(vanadium permendur)。因此，軟磁板及軛用於自軸向磁化磁體跨氣隙導引磁通量線。
據信，使用一軸向磁化磁體及徑向磁化磁體兩者提供最大化且平衡在軟磁頂板及軛之內面及外面兩者處經歷的通量密度而最大化氣隙中存在之總通量密度且因此最大化力輸出的手段。
一般而言，徑向磁化磁體322可由一或多個片段形成。例如，此磁體可藉由經構造使得產生一連續圓柱體之一磁性材料的弧形片段實現。
據信，使用包圍音圈外部且由一軟磁軛/杯包含之一互補徑向磁化磁體含有在磁性馬達電路之結構內的磁通量，從而減少(例如，最小化)磁通量自磁性電路之洩漏，藉此減少(例如，最小化)電磁場與可能緊密靠近電磁致動器之其他敏感組件的相互作用。另外，徑向磁化磁體之延伸垂直長度可在音圈之機械偏移能力之整個長度內提供一致場強。
圖3中展示之致動器可為緊湊的。例如，致動器在軸向方向上之厚度可為約數mm，例如5mm或更小、4mm或更小、3mm或更小、2mm或更小。橫向尺寸亦可相對較小。例如，外部徑向磁化磁體可具有20mm或更小(例如，15mm或更小、12mm或更小、10mm或更小、8mm或更小、7mm或更小、6mm或更小、5mm或更小)之一橫向直徑(即，與對稱軸正交之直徑)。
除此磁性電路設計之一圓形軸對稱實施例之外，實現如圖4中展示之在一長形(例如，橢圓形)封裝內之磁性電路拓撲亦為可行的。此處，一致動器400包含連接至一致動器耦合板450之一音圈440。音圈440支撐配置於介於一內部磁體420與一外部磁體422之間之一氣隙460中的繞組445。內部磁體420夾置於一軟磁頂板430與一軟磁杯(軛)410之間。內部磁體420經軸向磁化且外部磁體422經徑向磁化。
內部磁體420塑形為同心地略小於軟磁頂板430。換言之，頂板430在x及y方向上比磁體420略微延伸更遠。頂板430亦塑形為同心地略小於音圈440。徑向磁化外部磁體422可由沿音圈之外部線性側定位之線性磁塊構成。
一般而言，除聲輸出之外，所描述之致動器亦可產生觸覺輸出。例如，致動器可提供低於200Hz之輸出。
本文中揭示之致動器技術可用於例如經設計以提供聲學及/或觸覺回饋之面板音訊系統中。面板可為例如基於OLED或LCD技術之一顯示系統。面板可為一智慧型電話、平板電腦或穿戴式裝置(例如，智慧型手錶或頭戴式裝置，諸如智慧型眼鏡)之部分。例如，參考圖5A，一行動裝置500包含一裝置殼體502及一觸控面板顯示器504，觸控面板顯示器504包含整合一面板音訊揚聲器之一平板顯示器(例如，一OLED或LCD顯示面板)。行動裝置(例如，一智慧型電話)500以多種方式與一使用者介接，包含藉由顯示影像、經由一觸控面板顯示器504接收觸控輸入及產生音訊及觸覺輸出。一般而言，作為一面板音訊揚聲器之部分，振動面板產生人類可聽聲波，例如在20Hz至20kHz之範圍內。除產生聲音輸出之外，行動裝置500亦經由顯示面板504產生觸覺輸出。例如，觸覺輸出可對應於在180Hz至300Hz之範圍內之振動。
通常，一行動裝置具有大約10mm或更小之一深度、60mm至80mm(例如，68mm至72mm)之一寬度及100mm至160mm(例如，138mm至144mm)之一高度。因此，可期望用於驅動面板504之緊湊且高效致動器，諸如上文描述之致動器。
參考圖5B，其展示穿過行動裝置500之一橫截面，裝置殼 體502及顯示面板504在一起形成用於容置行動裝置500之組件(諸如一致動器510、一電池530及一電子控制模組520)之一殼體。
致動器510可為上文描述之致動器(例如，致動器300或400)之一者且經定大小以裝配於受容置於行動裝置500中之其他組件(包含電子控制模組520及電池530)約束的一體積內。電子控制模組220將控制信號提供至致動器510，而引起其產生音訊及/或觸覺輸出。
一般而言，電子控制模組係由自行動電話之一或多個感測器及/或信號接收器接收輸入、處理輸入且產生並遞送信號波形而引起致動器510提供一適合觸覺回應的一或多個電子組件組成。參考圖6，一行動裝置(諸如行動電話500)之一例示性電子控制模組600包含一處理器610、記憶體620、一顯示器驅動器630、一信號產生器640、一輸入/輸出(I/O)模組650及一網路/通信模組660。此等組件彼此電連通(例如，經由一信號匯流排602)且與致動器510電連通。
處理器610可實施為能夠處理、接收或傳輸資料或指令之任何電子裝置。例如，處理器610可為一微處理器、一中央處理單元(CPU)、一特定應用積體電路(ASIC)、一數位信號處理器(DSP)或此等裝置之組合。
記憶體620具有各種指令、電腦程式或儲存於其上之其他資料。指令或電腦程式可經組態以執行關於行動裝置描述之操作或功能之一或多者。例如，指令可經組態以經由顯示器驅動器630、信號產生器640、I/O模組650之一或多個組件、可經由網路/通信模組660存取之一或多個通信通道、一或多個感測器(例如，生物辨識感測器、溫度感測器、加速度計、光學感測器、氣壓感測器、濕度感測器等)及/或致動器510控 制或協調裝置顯示器之操作。
信號產生器640經組態以產生適用於致動器510之變化振幅、頻率及/或脈衝輪廓之AC波形，且經由致動器產生聲學及/或觸覺回應。儘管描繪為一單獨組件，然在一些實施例中，信號產生器640可為處理器610之部分。在一些實施例中，信號產生器640可包含一放大器，例如作為其之一整合或單獨組件。
記憶體620可儲存可由行動裝置使用之電子資料。例如，記憶體620可儲存電資料或內容，諸如(舉例而言)音訊及視訊檔案、文件及應用程式、裝置設定及使用者偏好、用於各種模組之時序及控制信號或資料、資料結構或資料庫等。記憶體620亦可儲存用於重新產生可藉由信號產生器640使用以產生用於致動器510之信號的各種類型之波形的指令。記憶體620可為任何類型之記憶體，諸如(舉例而言)隨機存取記憶體、唯讀記憶體、快閃記憶體、可抽換式記憶體或其他類型之儲存元件或此等裝置之組合。
如上文簡要論述，電子控制模組600可包含在圖6中表示為I/O模組650之各種輸入及輸出組件。儘管I/O模組650之組件在圖6中表示為一單一品項，然行動裝置可包含若干不同輸入組件，包含按鈕、麥克風、開關及用於接受使用者輸入之撥盤。在一些實施例中，I/O模組650之組件可包含一或多個觸控感測器及/或力感測器。例如，行動裝置之顯示器可包含一或多個觸控感測器及/或一或多個力感測器以使一使用者能夠將輸入提供至行動裝置。
I/O模組650之組件之各者可包含用於產生信號或資料之專用電路。在一些情況中，組件可針對對應於顯示器上呈現之一提示或使用 者介面物件的特定應用輸入產生或提供回饋。
如上文提及，網路/通信模組660包含一或多個通信通道。此等通信通道可包含提供處理器610與一外部裝置或其他電子裝置之間之通信的一或多個無線介面。一般而言，通信通道可經組態以傳輸及接收可由在處理器810上執行之指令解譯的資料及/或信號。在一些情況中，外部裝置係經組態以與其他裝置交換資料之一外部通信網路之部分。一般而言，無線介面可包含但不限於射頻、光學、聲學及/或磁性信號且可經組態以經由一無線介面或協定操作。例示性無線介面包含射頻蜂巢式介面、光纖介面、聲學介面、藍芽介面、近場通信介面、紅外線介面、USB介面、Wi-Fi介面、TCP/IP介面、網路通信介面或任何習知通信介面。
在一些實施方案中，網路/通信模組660之通信通道之一或多者可包含行動裝置與另一裝置(諸如另一行動電話、平板電腦、電腦或類似者)之間的一無線通信頻道。在一些情況中，可將輸出、音訊輸出、觸覺輸出或視覺顯示元素直接傳輸至其他裝置以輸出。例如，可將一可聽警示或視覺警告自電子裝置600傳輸至一行動電話以在該裝置上輸出，且反之亦然。類似地，網路/通信模組660可經組態以接收在另一裝置上提供之輸入以控制行動裝置。例如，可將一可聽警示、視覺通知或觸覺警示(或因此指令)自外部裝置傳輸至行動裝置以進行呈現。
本發明揭示若干實施例。其他實施例在以下發明申請專利範圍中。
300‧‧‧致動器
310‧‧‧軟磁杯
320‧‧‧磁體
322‧‧‧磁體
330‧‧‧頂板
340‧‧‧音圈
345‧‧‧繞組
350‧‧‧耦合板
360‧‧‧氣隙

Claims (13)

  1. 一種電子裝置，其包括：一面板，其包括一顯示器；及一致動器，其包括：一內部磁體(magnet)，其相對於一軸而配置；一外部磁體，其配置成與該軸相距一徑向距離，該外部磁體之一內部徑向壁面向該內部磁體之一外部徑向壁，該內部徑向壁及該外部徑向壁藉由一氣隙分離；一杯，其包括一基座及界定一杯腔(cup cavity)之一側，該基座及該側包括一軟磁材料，該內部磁體及該外部磁體係配置於該杯腔中；一音圈(voice coil)，其配置於分離該內部磁體與該外部磁體之該氣隙中；一致動器耦合板，其附接至該音圈且附接至該面板；及其中該內部磁體經軸向磁化且該外部磁體經徑向磁化，且在該裝置之操作期間，該音圈之電啟動引起該致動器耦合板之軸向運動；及其中該裝置係一面板音訊揚聲器。
  2. 如請求項1之裝置，其中該內部磁體及該外部磁體關於軸向旋轉對稱。
  3. 如請求項1之裝置，其中該外部磁體係由一磁性材料之複數個片段形成。
  4. 如請求項1之裝置，其進一步包括在該內部磁體之與該基座相對之一側上包括該軟磁材料的一頂板。
  5. 如請求項4之裝置，其中該頂板具有與該內部磁體相同之徑向尺寸。
  6. 如請求項4之裝置，其中該頂板具有大於該內部磁體之徑向尺寸。
  7. 如請求項1之裝置，其中該裝置在該軸向方向上具有10mm或更小之一最大尺寸。
  8. 如請求項1之裝置，其中該面板包括一觸控面板。
  9. 如請求項1之裝置，其中該裝置經組態以產生音訊及/或觸覺回應。
  10. 一種行動裝置，其包括如請求項1之裝置。
  11. 如請求項10之行動裝置，其中該行動裝置係一行動電話或一平板電腦。
  12. 如請求項10之行動裝置，其中該行動裝置係一穿戴式裝置。
  13. 一種電子裝置，其包括： 一外殼；一顯示面板，其安裝於該外殼中；一致動器耦合板，其附接至該顯示面板；一音圈，其附接至該致動器耦合板，該音圈界定一軸；一內部磁體，其相對於該軸配置；一外部磁體，其配置成與該軸相距一徑向距離，該外部磁體之一內部徑向壁面向該內部磁體之一外部徑向壁，該內部徑向壁及該外部徑向壁藉由一氣隙分離；一杯，其包括一基座及界定一杯腔之一側，該基座及該側包括一軟磁材料，該內部磁體及該外部磁體係配置於該杯腔中；其中該音圈配置於分離該內部磁體與該外部磁體之該氣隙中，該內部磁體經軸向磁化且該外部磁體經徑向磁化；及一電子控制模組，其電耦合至該音圈且經程式化以使該音圈通電而引起該內部磁體相對於該音圈之軸向運動，使得該顯示面板按足以自該顯示面板產生一音訊回應之頻率及振幅振動。
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