高性能緊湊型揚聲器的製作方法

2023-05-26 05:49:16 1

專利名稱：高性能緊湊型揚聲器的製作方法
相關申請案的交叉參考本申請涉及2000年6月27日提交的美國第60/214,689號臨時申請案，並根據美國法典第35章第119條(e)之規定要求優先權。此臨時申請案以完全引用的方式併入本文。發明背景本發明涉及一種音頻揚聲器，並特別涉及一種緊湊型擴音器。近年來，關於緊湊型揚聲器申請案的數量大幅度的提高。這部分歸功於大量新型消費性電子產品及個人音樂電子播放裝置的問世，它們需要並促進了附屬揚聲器的使用以輸出最大音量的高品質音響效果。向小型的書架式或臺式系統發展的趨勢也促進了緊湊型揚聲器的使用，而許多年來已成為基準的類似箱式工作的大型揚聲器這樣的音效產品，則逐漸被淘汰。
對於許多這類申請案來說，輕質和便攜是至關重要的。對一些來說，價格則是關鍵因素。對另一些來說，則期望通過箱式工作的或其他外殼來優化揚聲器性能。在這種情況下，需要仔細考慮揚聲器和外殼的結構與聲學特性。但是，小型揚聲器引起了許多技術上的問題，尤其是在波譜的低頻端，因為小薄膜在低頻發射時效率不高，而且具有較高的固有諧振。將採用一整套的補償方法來使小尺寸系統獲得期望的性能，例如使用高驅動電流、更長的投擲線圈結構(throw coilconstruction)、功率更大的磁間隙、改進的薄膜材料以及新型的機櫃結構。
因此，期望能提供一種改良的緊湊型揚聲器。
還期望提供一種外殼，其可以使緊湊型揚聲器的性能進一步提高。
同時還期望提供這種揚聲器和外殼的設計，其中外殼自身可作為一個單元適合被放置在機櫃、牆面或其他位置，並且其不需要大量聲學工程或獨立設計考慮，就可以與支架結構相適配。

發明內容
本發明之揚聲器可以實現一個或多個以及其他所期望的目標，在揚聲器中第一和第二環形磁鐵被集中安置在一起，並且由一端的分路器結構和另一端的極限定結構連接，從而將磁通集中在圓柱形間隙中。和磁鐵一樣，分路器和極片結構也為環形，並且相互層疊，從而使組合後的磁性部件具有穿過中央的開孔。揚聲器的音圈浮於圓柱形磁隙中，並且其驅動導線穿過中央開孔與揚聲器後部連接。在不同的實施例中，揚聲器薄膜通過中央開孔與揚聲器之後的已調諧的機殼相連，這進一步的控制了整個音響效果。
根據本發明的一個方面，兩磁鐵間的圓柱形磁隙將軸向極化並且極性相反的環形磁鐵分離。位於每個磁鐵頂面有兩個丁字形的極片，它們確定了主要與磁隙連接的具有高磁通密度的淺音圈間隙。此結構可用於使用兩個環形釹磁鐵的部件，其具有25毫米和36毫米的外徑，以獲得每英寸音圈間隙超過1.4特斯拉(Tesla)的總磁通密度，以及低於2盎司(ounce)的總揚聲器重量並且在間隙中的總能量為100毫瓦(milliwatt)秒。這樣減少了昂貴的釹的質量，同時有效的將有效通量聚集在間隙中並提高了揚聲器的總體性能。特別的是，磁鐵在非常淺的間隙中獲得高能量，這使得可以用小的振幅有力的驅動薄膜。中央的通孔在揚聲器部件以及隨後的揚聲器安裝過程中起引導裝卸的作用。還可以利用開孔在相對較淺的容器內獲得阻尼或共振耦合的有效級。此容器可以是一個安裝在齊平的或較低的面板或壁上的有門的機殼。


下面將結合附圖介紹本發明之說明性的實施例及相關範例。
圖1說明了根據本發明之揚聲器音圈的高性能磁鐵結構；圖1A說明了本發明的另一實施例；圖2說明了圖1A中磁結構的場矢量；圖3為圖1A中結構間隙的磁通密度圖；圖4A和4B分別為圖1A中結構的磁通路徑和場線；
圖5-8分別與圖1A、2、3和4A相對應，說明了第一比較構造之固盤磁鐵結構的特點；圖9-12A、12B分別與圖1A、2、3、4A和4B相對應，說明了第二比較構造之固盤磁鐵結構的特點；以及圖13一16A、16B分別與圖1A、2、3、4A和4B相對應，說明了第三比較構造之固盤磁鐵結構的特點。
發明詳述本發明尋求提供一種改良的高效揚聲器，其磁性子結構採用廉價的金屬零件。揚聲器中通常採用永久磁鐵，在較小的高性能揚聲器中，最好採用如釹磁鐵這樣的稀土磁鐵。磁性子結構還包括分路器和極片結構，以將磁場集中在高磁通間隙中，在此間隙中，附加於揚聲器薄膜之上的圓柱形音圈在外加驅動電流信號的作用下運動。
在此揚聲器的設計過程中，可能從現有設計開始，根據被視為最重要的一個參數，如磁通、重量、物理深度或價格來尋求新型揚聲器磁性能的最優化設計。儘管此方法很直接，但是沒有有效提高並且可能降低未被優化的其他參數的性能。本發明提供了一種創新的構造，可以同時提高若干個參數的性能以實現一種非常緊湊的高效揚聲器。
在此引用了申請人的早期專利及專利申請案，具體如下美國第5,802191號專利申請案，美國申請序號09/100,411，美國申請序號09/439,416，相應的國際專利申請案PCT/US99/27011，其美國申請序號09/639,416以及相應的國際專利申請案PCT/US00/22119。上述專利及專利申請案以完全引用的方式併入本文。
圖1表示了本發明揚聲器10的一個具體實施例。詳細的顯示出了其磁鐵結構20，以及薄膜D和音圈VC的簡圖。例如，音圈VC可以由銅或其他導體在圓柱形線軸(如用聚醯亞胺(Kapton)薄片成形)上纏繞而成，音圈VC浮於磁隙G之中，磁鐵結構20將磁通集中於磁隙G中。所示的薄膜D為跨越圓柱形音圈VC的平板。這種薄膜的外邊緣通常懸掛撓性橡膠或聚合物帶，以形成框架(圖中未示)。但是，在其他實施例中，可以採用跨越音圈直徑的凸狀或凹形薄膜，或採用主要延伸到音圈圓周外部的平板或錐形薄膜，以便在一個更大的框架中安裝。在這種情況下，將一個柔性的但在平面方向具有剛性的環形帶附加於音圈或薄膜上，以保持音圈置於磁隙G的中心。通常在圓錐的外邊緣，另一個柔性帶把薄膜附加於揚聲器框架上。
如圖1所示，揚聲器部件10的磁鐵結構20包括第一和第二環形磁鐵1、2，兩磁鐵軸向放置並且由位於磁鐵一側的分路器構件3連接。在圖示實施例中，分路器構件3不是平板或薄板而是成形部件，並向其內徑和外徑邊緣方向逐漸變薄。這形成了斜面(或為圓形)3a和3b，斜面延伸到遠離中心部分的最薄區域。在磁鐵1、2的另一側分別為成形極片4、5。如圖1所示，內、外圓柱形磁鐵1、2被緊密放置在一起，僅在內磁鐵的外圓周和外磁鐵的內壁間存在很小的間隙。極片4、5各自具有一個環形圈，並且極片位於對應磁鐵的頂部，其相對面之間的間隔形成了音圈間隙G。在圖示實施例中，間隙G小於下面的兩磁鐵間的間隙，並與其同心。按照比例，在本發明的一實施例中，音圈C的直徑約1英寸，內磁鐵1具有24.5毫米的外徑以及8毫米的中央開孔。磁鐵2的內徑和磁鐵1間隙1.5毫米，其外直徑為36毫米。極片4、5減小了磁隙，使得間隙G只有1毫米。類似於永久磁鐵3，極片4、5在接近間隙G的地方較厚，並向其內徑和外徑邊緣方向逐漸變薄或變細。
圖1A表示了根據本發明之揚聲器原型的磁鐵結構，顯示了揚聲器磁鐵一側沿徑向剖開的面。在此實施例中，外極片5擁有突出的圓臺5a。薄膜的邊緣(如圖1所示的扁平薄膜)可以附於圓臺5a上。極片由合適的材料形成，比如鐵或鋼，並且其形狀能更好的利用磁通，將磁通聚集在音圈間隙中，極片還能提供離隙或間隙使薄膜不會發出嗡嗡聲。
圖3畫出了間隙中得到的磁通密度。如其所示，兩個同心的環行磁鐵組成的結構通過2毫米乘1毫米的間隙產生了1.4特斯拉(Tesla)的磁通密度；總的間隙能量為100毫瓦(milliwatt)秒。
圖2表示了圖1A中磁鐵結構的矢量。圖中右手邊插入的實線表示了金屬/磁鐵部分，其中數字與圖1中數字對應。磁鐵沿環行軸被N-S極化，外環行磁鐵2和內磁鐵極化方向相反。在此實施例中，外極片5在其外圓周具有延伸短線或延伸帶5a，其影響了外場線，這在隨後的圖中有詳細表示。相反極化的環行磁鐵上的極片和分路器結構可以更有效的使用磁性物質將高磁通密度集中在間隙G中。
再如圖1中所示，內磁鐵1和永久磁鐵3以及內極片4均為環行件，它們在磁鐵部件的中央確定了一個物理開孔C。揚聲器輸入導線a，b穿過此中央開孔並和音圈VC連接。應注意到輸入驅動線路的表示僅為示意畫法。一根導線穿過開孔，第二根與揚聲器的金屬結構相連以接地。此外導線a，b不必為所示的導線，也可以是其他形式，如軟性電纜或微型平板印刷的導體元件，在其中可以嵌入塑料片以加固金屬導體。另外，在與穿過中央開孔C的導體連接之前，驅動線路可以從音圈連接到薄膜D上的表面連接盤結構。也可以使用此技術領域的其他連接技術。
但是，驅動線路或導線最好直接穿過開孔。此構造省略了將音圈導線接入位於薄膜或結構中心支架(錐型)上的接線板或連接盤的步驟。因為此中間連接需要精細的處理揚聲器內部框架，在現有技術中這是個耗時的步驟。
開孔C還使揚聲器前後的空氣相通。因此，當薄膜D延伸至磁鐵部件的整個斷面時，其性能將受到氣柱剛度的影響，此氣柱穿過開孔進入機殼或磁鐵後的其他空間。當薄膜從音圈向其外圓周延伸且在中心不具有罩或圓蓋時，此開孔可以減輕機殼剛度的影響，和/或引出機殼內部的聲音。因此，磁鐵開孔實現了聲耦合來配合系統響應，並使機殼具有通口來減輕小機殼中氣柱剛度的影響。
圖4A和4B描繪了圖1A中環行磁鐵結構和裝置間隙區域的磁通路徑/場線，其分別具有連續色調和獨立的線條。這說明了在有開口的磁鐵部件中使用小磁鐵來確定對稱的磁通路徑是非常有效的。
在原型實施例中，雙環行結構具有8毫米的中央開孔以便空氣連通和布線。內釹環具有24.5毫米的外徑和8.25毫米的徑向厚度，同時外釹環具有36毫米的外徑和4.25毫米的徑向厚度，於是兩個同心磁鐵間的間距為1.5毫米。兩個磁鐵均為3.5毫米厚，因此使用許多相當於(1.47+1.45)cc或2.97cc，重22.5克(grams)的磁性材料。鋼製的內頂板和外頂板分別重5和5.77克(grams)。系統總重量為48克(grams)，可提供1.4特斯拉(Tesla)的磁通密度和100毫瓦(milliwatt)秒的總能量。比較示範例1參看圖5-8，並分別和圖1A、2、3和4A比較可了解這些性能特點的價值。第一比較構造的總重量不變，但採用單個的硬釹圓盤磁鐵優化系統。如圖所示，其能量遠低於本發明之系統，固盤中央區域的磁通分布實質上沒有增加間隙密度而被浪費了。間隙中的總能量為65毫瓦(milliwatt)秒，總磁通量為1.21特斯拉(Tesla)，系統總重量為49.5克(grams)，系統中的外殼層形成了實質部分。因此，在上面所討論的參數中，只有一項改進了，即磁鐵中更簡單的鐵芯和極片結構降低了成本。比較示範例2另一個有價值的比較為如圖9所示的磁鐵結構，其中使用的釹磁鐵量和圖1-4中系統相同。在此示範例中，磁鐵為10毫米厚的高圓盤，具有24.5毫米的直徑和12.55克的重量。頂板和底板與前一示範例相同，但具有更厚的分路器，使總系統重量增至48.5克。磁通量僅增加到1.32特斯拉(Tesla)，但磁鐵深度增至15.5毫米，在某種程度上使結構不適合於較淺的機殼。圖10-12B顯示了磁通密度、磁通分布、場線模型和本示範例的整個幾何結構。比較示範例3如果在採用圓盤磁鐵的情況下想和圖1-5中系統具有相同的間隙能量，可採用圖13中所示的結構。圖中的磁鐵厚度為12毫米，重40克，外殼層和頂板使總系統重量超過100克。圖15-16B顯示了磁通密度、磁通分布、場線模型和本示範例的整個幾何結構。此結構導致磁鐵深度為18.5毫米，太深以至於無法在平面平板揚聲器中使用。增加的磁鐵重量還導致了此設計比圖1所示的雙環行設計更加昂貴。
因此，可以看出雙環行磁鐵設計在輕質的情況下具有高磁通密度。通過比較，具有相同磁通量的傳統設計顯示出太深、太重以及太昂貴的缺點。本發明的揚聲器不僅有效的將有效磁通集中在窄的、淺的音圈間隙中，而且雙環行設計的中央開孔還確定了可動音圈電源線的路徑。通過省去將驅動線路與揚聲器內固定音圈接頭連接的精細步驟，降低了揚聲器的製造成本。它同時還使部件尺寸更小(因為不需要利用圓周周圍的空間來布線)並簡化了機殼的安裝方法。從釹中提取的能量具有很高的效率，從而提高了線性驅動電機的聲學效率。如上所述，有孔的磁鐵還可以降低揚聲器機殼剛度的影響，或使外部調諧機殼與空氣連通，以減弱或調諧組合揚聲器/機殼系統中的響應。
所屬技術領域的技術人員可以了解在此公開的發明和所述的實施例以及其進一步的變化和改進，並且改進或者變化均處於本發明之權利要求或其等同物範圍之內。
權利要求
1.一種揚聲器的磁鐵部件，此部件包括同軸安置的第一和第二環形磁鐵，並在此間形成了一個徑向間隙，所述第一和第二磁鐵被軸向極化；一個分路器跨越所述第一和第二磁鐵的一側並將其連接；一個第一極片，其具有一個第一工作面，所述第一極片置於第一磁鐵之；以及一個第二極片，其具有一個第二工作面，所述第二極片置於第二磁鐵之上；所述部件第一和第二工作面間確定了一個音圈間隙，使得磁通被集中在所述音圈間隙中，並且還提供了穿過所述部件的中央開孔。
2.如權利要求1所述的磁鐵部件，其中所述第一和第二磁鐵為稀土磁鐵。
3.如權利要求1所述的磁鐵部件，其中所述第一和第二磁鐵為釹磁鐵。
4.一種揚聲器包括一個薄膜；一個與薄膜相連的音圈；以及一個磁鐵部件，其確定了磁通間隙，其中音圈置於磁通間隙中，所述磁鐵部件包括一對同心配置的環形磁鐵，一個分路器，其在所述磁鐵的一側將磁鐵相互連接，以及位於所述磁鐵的另一側的一對極片，以便有效的將磁通集中在由極片的相對工作面形成的音圈間隙中。
5.如權利要求4所述的揚聲器，其中音圈的電源導線從磁鐵部件的中央穿過。
6.如權利要求4所述的揚聲器，其中磁鐵部件具有中央開孔，以實現空氣與揚聲器後部空間的連通。
7.如權利要求6所述的揚聲器，其還包括一個機殼，其中所述中央開孔與機殼相連。
8.一種製造揚聲器部件的方法，此方法包括以下步驟提供一個磁鐵部件，其具有穿過部件的中央開孔以及一個磁隙；將音圈置於磁鐵部件第一側面的間隙中；以及使音圈驅動線路穿過開孔到達磁鐵部件的第二側面。
全文摘要
一種揚聲器，其具有同軸安置的第一和第二環形磁鐵(1，2)，磁鐵由一端的分路器(3)和另一端的極限定結構(4，5)連接，從而將磁通集中在圓柱形音圈間隙(G)中。分路器和極片結構相互層疊，從而使組合後的磁性部件具有穿過中央的開孔(C)。音圈(VC)浮於圓柱形磁隙中，並且其驅動導線穿過開孔(C)到達磁鐵的另一端。當和機殼同時使用時，揚聲器薄膜(D)通過中央開孔與延伸到揚聲器之後的已調諧的機殼相連，或者開孔也作為機殼的一部分，這進一步的控制了整個音響效果。位於磁鐵上的兩個成形極片確定了具有高磁通密度的淺音圈間隙，磁場被有效的集中在此間隙內。
文檔編號H04R9/06GK1443433SQ01811725
公開日2003年9月17日 申請日期2001年6月27日 優先權日2000年6月27日
發明者G·A·格侖瑟 申請人:G·A·格侖瑟