專利名稱：機電力換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機電力換能器、致動器、激發(fā)器及類似裝置，更特別但不限定地涉及聲音裝置中所使用的這類元件，例如揚聲器及麥克風。
背景技術(shù)：
本發(fā)明特別但不限定地涉及授予本申請人的國際專利申請案WO01/54450中所說明的這類機電力換能器，其中包括在該換能器的工作頻率范圍內(nèi)具有頻率分布模式(a frequence distribution of modes)的一或多個共振元件或梁。這類換能器稱作“分布模式致動器”或簡稱DMA。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種換能器，其阻尼會造成模式的Q值降低并且減少模式間的劇烈抵消，以此獲得增加的聲壓平滑性。
本發(fā)明另一目的是增大換能器的堅固性，例如在摔落或碰撞測試期間降低故障機會。
本發(fā)明另一目的是降低一個致動器或換能器(例如DMA換能器)的第一共振模式頻率。
一方面，本發(fā)明公開一種換能器，其中一低剛度層插于多個共振元件的相鄰表面之間且與其接合。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當元件表面改變尺寸以及該阻尼層隨元件伸展時，簡單地增加一阻尼層至共振元件或梁的一個表面將獲得不良的阻尼性能。然而，在該阻尼層的另一側(cè)使用一高度抗尺寸變化的撓性參考層(例如箔片)會獲得阻尼的改良，因為這種情況下阻尼層在變化元件表面尺寸及非伸展箔片間受到剪力(shear)。如果參考層能在阻尼表面相反的一面改變尺寸，阻尼效應(yīng)將加倍。此效應(yīng)是通過將該阻尼層粘著于相鄰元件面之間得到。
本發(fā)明另一方面是一DMA換能器，其中不同平面的DMA模式被引入該音頻頻帶中。


本發(fā)明利用附圖范例概略加以說明，其中圖1是本發(fā)明機電力換能器的第一實施例的側(cè)視圖；圖2a是一機電力換能器的部分側(cè)視圖；圖2b是本發(fā)明機電力換能器的第一實施例的側(cè)視圖；圖3是比較一單梁換能器及圖1所述的換能器的阻斷力的曲線圖；圖4是比較一未阻尼雙梁DMA、一1/2阻尼DMA(即利用共振元件間所接合的阻尼材料覆蓋該共振元件長度的一半)及一完全阻尼雙梁的DMA換能器；圖5是一單梁致動器的側(cè)視圖；圖6是本發(fā)明機電力換能器的第二實施例的側(cè)視圖；圖7是比較不同條件下的阻斷力的曲線圖；圖8a是比較不同條件下的聲壓力的曲線圖；圖8b是圖6中所示換能器安裝在板壁(panel)邊緣的透視圖；及圖9是比較在不同的撓性短柱情況下的阻斷力的曲線圖。
具體實施例方式
圖1表示W(wǎng)O01/54450公開的雙梁換能器，其內(nèi)容與本申請案結(jié)合。換能器1包括第一壓電梁2，在其背面通過位于接近該雙梁中心位置且具有剛性短柱(stub)4形式的連接裝置安裝第二壓電梁3。各梁是一雙壓電晶片。
通過位于接近該第一梁中心位置且具有剛性短柱6形式的耦接裝置，將換能器1安裝在構(gòu)件5，例如一彎曲波揚聲器板壁，例如，一分布模式揚聲器(DML)。
在本發(fā)明中，一泡沫塑料制成的低剛度層接合于所述梁2、3的相鄰表面之間。該接合層可大致覆蓋整個相鄰的表面或是非連續(xù)性，例如，以阻尼特定模式。
下文陳述一種適合的泡沫阻尼材料的一些參數(shù)“Poron”慢回彈的泡沫聚氨脂塑料。
型號4790-92-25041-04S厚度1.05mm(我們已經(jīng)成功試驗過1.0mm的厚度)
密度400kg/m3在1kHz時的壓縮E(泡沫壓縮時的楊式模量)＝2MPa量測阻力R約8×105Ns/m3。這些數(shù)值是當壓縮而非剪切時量測的機械阻力的“實”部值。剪切的數(shù)值現(xiàn)不可得。
使用較薄的泡沫(0.6mm)也能獲得良好的結(jié)果。較厚的泡沫(例如厚達1.5mm)預期可獲得此種材料的良好結(jié)果。我們建議厚度限制在0.3及2.0mm之間。
密度(孤立于E和R)被認為是不相關(guān)的，其能以100的倍數(shù)改變且具較少效應(yīng)。E很重要，但剪切的發(fā)生使得E的重要性難以確認。我們建議E以4的倍數(shù)增加將會增強梁的剛度，因此要避免。E的降低將具有較小的效應(yīng)，這是因為，通過添加泡沫，該系統(tǒng)剛度不會受到太大的影響。R的數(shù)值很重要。降低R被認為是以線性方式影響阻尼的。我們建議不要以超過例如4的倍數(shù)降低。增加R雖能達到目的但影響其它參數(shù)。
圖2表示接合多梁換能器的一個表面或二個表面的效果。圖2a表示阻尼層7僅接合一個梁2的情況。當另一梁3相對于梁2移動時，其在阻尼層的上表面上方滑動，因此不會變形及增加阻尼至彎曲的共振。然而，在圖2b中，該阻尼層接合兩個梁，因此受到梁3相對于梁2相對移動所產(chǎn)生的剪切。正是該剪切施加阻尼。
梁長度不需相同，但如果相同則具有最大阻尼效應(yīng)。圖3表示量測得到的兩個梁間所增加的阻尼層對一中心安裝所述的換能器的阻斷力(blocked force)的效果。所有模式的Q值降低并且自然頻率未加以改變，這意謂具有極低的接合材料7的剛度。當發(fā)生換能器內(nèi)部抵消時，例如在不相似長度的梁共振之間，增加阻尼層將增加輸出。
圖4表示在36毫米/34毫米的梁長度的DMA換能器表面間增加的阻尼對聲壓的模擬效應(yīng)。換能器基本共振的輸出稍微降低，但在3-4kHz區(qū)域內(nèi)輸出廣泛的增加。這就是換能器內(nèi)部抵消的區(qū)域。聲壓響應(yīng)也比較平滑。
摔落測試故障率可期望降低。當撞擊時大部分的能量將會在激發(fā)器中在它的基本共振出現(xiàn)。因為阻尼降低此共振的Q值，瞬間最大位移將減小，這導致梁的應(yīng)力減小。此應(yīng)力降低被認為能改良摔落測試的可靠性。此外，通過本發(fā)明，能降低換能器的固有高度(built height)。
用以將上述種類所述的換能器耦接至其負載的短柱在所有3個直角座標軸都是剛性的，而旋轉(zhuǎn)剛度通常被忽略并假設(shè)相當?shù)母?。在短柱位于梁長度一半位置的情況下，對梁的基本共振，將在短柱處產(chǎn)生0旋轉(zhuǎn)。如果在半長度梁的端部重復這個0旋轉(zhuǎn)的邊界條件，該基本共振(fundamental)將在與該全長度梁的相同頻率發(fā)生，且力是一半的力。這是懸臂條件，參閱圖5。圖5是表示一懸臂梁(即一極大程度偏置的短柱)的基本模型的圖。該位移形狀表示純彎曲的運動。
然而，通過使短柱的旋轉(zhuǎn)剛度由高至低地降低，該梁的f0下降且變得與該梁彎曲運動無關(guān)且更像剛體，參閱圖6。圖6是一梁耦接至具有撓性短柱以容許該梁旋轉(zhuǎn)的板壁的模型圖，該模型表示梁存在一定的彎曲及旋轉(zhuǎn)移動。在一旋轉(zhuǎn)剛度0的極限情況中，該模式降至0Hz且成一剛體模式。參考標號9表示該板壁5后側(cè)的一截留空氣層，在模擬中其與板壁耦接且影響板壁的共振模組(modal set)，且參考標號10表示移動電話主體，其包括一個由板壁5及換能器1形成的揚聲器。所要注意的是，該梁2的偏轉(zhuǎn)被夸大，以便可顯見。
通過選擇旋轉(zhuǎn)撓性(compliance)，該梁的f0可低于中心安裝且長度為其兩倍的梁的f0，F(xiàn)E分析已經(jīng)用以表示此效應(yīng)，參閱圖7。圖7是由條件3所產(chǎn)生的模擬阻斷力的曲線圖一個中心安裝的36毫米梁，一具有位于一端的剛度短柱的半長度梁，具有位于一端的撓性短柱的半長度梁。剛性短柱可提高該梁的剛度，這略有效降低其長度。
一實心短柱將在3個平移及旋轉(zhuǎn)軸中具有相同剛度。經(jīng)適當?shù)卦O(shè)置短柱的橫截面形狀，能在6個不同軸產(chǎn)生不同的剛度。這將使得在不同軸的模式在不同頻率下產(chǎn)生。如果負載阻抗不對稱，與除了正交該梁表面以外的其它方向的移動相關(guān)的模式能耦接至板壁，藉以增加模式密度，參閱圖8。圖8a是模擬得到的通過改變短柱剛度產(chǎn)生的對聲壓的效應(yīng)的曲線圖。圖8b是一具有板壁5以及安裝在單梁段的撓性短柱6上的一附接換能器的板壁狀揚聲器的透視圖，并且表示面內(nèi)移動的DMA。在圖8所示的面內(nèi)模式的情況下，如果圍繞著正交于該板壁的平面的軸8的旋轉(zhuǎn)剛度被忽略，此模式不存在。在此情況下，該第一模式部分地起因于圍繞沿該梁的短緣的軸的剛度，第二模式是起因于圍繞正交于該梁的軸的剛度。圍繞沿該梁長度移動的軸的最后的旋轉(zhuǎn)軸將產(chǎn)生一模式。
一個在不同軸具有不同剛度的短柱形狀的范例是I截面，參閱圖9。圖9是可變的垂直桿長度對聚碳酸脂的I截面的短柱的阻斷力的模擬效應(yīng)的曲線圖。該短柱的內(nèi)桿1毫米寬且總共的寬度是3毫米，圖上指示出桿長。
當從純彎曲運動至部分平移運動來改變基本共振，梁中的應(yīng)力在基本共振時將降低。因為在碰撞期間基本共振將接收大部分的能量，而大部分變型在短柱中發(fā)生，因而該梁更易免于損壞。
雖然單梁段的短柱已經(jīng)加以說明，許多其它的短柱橫截面也能使用，例如梯形、圓柱形等等。
權(quán)利要求
1.一種機電力換能器，其包括多個共振元件；低剛度構(gòu)件，所述低剛度構(gòu)件耦接于至少兩個相鄰共振元件的相鄰表面之間；及短柱構(gòu)件，所述短柱構(gòu)件支撐所述共振元件，并且用于將所述換能器耦接至力將施加的位置處。
2.如權(quán)利要求1所述的換能器，其中，該低剛度構(gòu)件是泡沫塑料。
3.如權(quán)利要求2所述的換能器，其中，該泡沫塑料具有慢回彈特性。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的換能器，其中，該低剛度構(gòu)件具有接合至所述共振元件的整個或大致一部分的相鄰表面的層的形式。
5.如前述任一項權(quán)利要求所述的換能器，其中，所述共振元件是梁狀的。
6.如前述任一項權(quán)利要求所述的換能器，其中，所述短柱是低剛度的，由此使整體非彎曲模式被引入所述共振元件。
7.如權(quán)利要求6所述的換能器，其中，所述整體非彎曲模式處于所述工作頻率范圍內(nèi)。
8.如前述任一項權(quán)利要求所述的換能器，其中，所述共振元件的參數(shù)選擇為用以加強所述元件在所述工作頻率范圍內(nèi)的模式分布，其中，所述參數(shù)是由縱橫比、彎曲剛度的各向同性、厚度及幾何形狀的各向同性所組成的組中選出。
9.如前述任一項權(quán)利要求所述的換能器，其中，至少一個共振元件是有源的，例如，由壓電材料制成。
10.如前述任一項權(quán)利要求所述的換能器，其中，所述低剛度構(gòu)件大致耦接于整個相鄰表面之間。
11.一種機電力換能器，其包括板狀共振元件，所述板狀共振元件在所述換能器的工作頻率范圍內(nèi)具有頻率分布模式；及短柱構(gòu)件，所述短柱構(gòu)件用于將所述換能器耦接至力將施加的位置處，并且所述短柱構(gòu)件支撐及設(shè)置所述共振元件而使整體非彎曲模式被引入所述共振元件。
12.如權(quán)利要求11所述的換能器，其中，所述整體非彎曲模式處于所述工作頻率范圍內(nèi)。
13.如權(quán)利要求11或12所述的換能器，其中，所述短柱是低剛度的。
14.如權(quán)利要求11-13中任一項所述的換能器，其中，所述短柱的橫截面形狀是非圓形。
15.如權(quán)利要求14所述的換能器，其中，所述短柱的橫截面是I截面形狀。
16.如權(quán)利要求11-15中任一項所述的換能器，其中，所述共振元件的參數(shù)選擇為用以加強所述元件在所述工作頻率范圍的模式分布，其中，所述參數(shù)是由縱橫比、彎曲剛度的各向同性、厚度及幾何形狀的各向同性所組成的組中選出。
17.如權(quán)利要求11-16中任一項所述的換能器，其中，所述換能器包括在所述工作頻率范圍內(nèi)具有頻率分布模式的多個共振元件。
18.如權(quán)利要求11-17中任一項所述的換能器，其中，所述或至少一個共振元件是有源的，例如，由壓電材料制成。
19.如前述任一項權(quán)利要求的機電力換能器，其中，所述共振元件在所述換能器的工作頻率范圍內(nèi)具有頻率分布模式。
20.一種揚聲器，包括如前述任一項權(quán)利要求所述的換能器及所述換能器耦接其上的彎曲波板壁狀聲輻射器。
全文摘要
一種機電力換能器，其包括多個共振元件；低剛度構(gòu)件，其耦接于至少兩個相鄰共振元件的相鄰表面之間；及短柱構(gòu)件，其支撐所述共振元件，且將所述換能器耦接至力將施加的位置處。一種機電力換能器，其包括板狀共振元件，所述元件在所述換能器的工作頻率范圍內(nèi)具有頻率分布模式；及短柱構(gòu)件，其將該換能器耦接至力將施加的位置處，且支撐及設(shè)置所述共振元件而使整體非彎曲模式被引入該共振元件。
文檔編號H04R7/04GK1839659SQ200480024130
公開日2006年9月27日 申請日期2004年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月11日
發(fā)明者馬克·W·斯塔恩斯, 詹姆斯·J·伊斯特, 尼爾·S·歐文, 斯蒂文·M·霍伊爾 申請人:新型轉(zhuǎn)換器有限公司