专利名称：致动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及致动器，包括平面运动线圈致动器或压电致动器，更具体地但不是唯一地涉及在其操作频率范围内具有一个或多个模态谐振的致动器。
背景技术：
在W001/54450中讨论了采用在弯曲中谐振的板状压电构件的模态致动器。图Ia 示出了已知的模态运动线圈致动器10，该模态运动线圈致动器10关于它的中心轴对称，并且通过耦合器14安装到圆形面板膜片12。致动器包括磁体组件和音圈组件，并且类似于未决UK申请0617551. 7中描述的致动器。磁体组件包括四对共轴安装的环状磁体16、18、20、22和一对低碳钢杯板(cup plate) 24,26.每对磁体包括安装到上杯板M的上环状磁体和安装到下杯板沈的下环状磁体。每对中的上和下环状磁体通过环形平面气隙分开，将线圈组件安装到该环形平面气隙中。线圈组件包括印刷在自支持环形平面基底观上的三个音圈30、32、34。每个音圈施加力(分别为A、B或C)到基底。沿着其内边缘，基底观夹在上和下杯板MJ6之间。 因为致动器有惯性，所以在幅度上等于三个力A、B和C的和的相反的力必须在该内边缘施加到磁体组件。在外边缘，基底附接到耦合器14，并且将致动器耦合到膜片，从而将来自致动器的功率传递到膜片。因为基底不是理想地刚性的，所以这样的模态致动器展现其中几乎没有力传输给负载的次级或反谐振(anti-resonance)。相应地，通过这样的致动器提供的力随着频率变化，从而具有力的零点(null)。例如，图Ib示出力随着在图Ia中的耦合器可用的频率的变化。由于基底的反谐振导致在6. 5kHz存在特性下陷，响应远不令人满意。在响应中还存在峰值，但是已知这些峰值可以通过增加阻尼被最小化。本发明的目的是改进用于任何致动器(特别是模态换能器)的力的传递。
发明内容
根据本发明，提供了一种制作包括多个力元件的致动器的方法，该方法包括提供用于将来自力元件的力耦合到负载的耦合器；计算用于每个力元件的传递函数，其中传递函数允许预测提供给负载的力；确定误差泛函，其指示预测的力中任何不期望的下陷；计算最小化误差泛函的力元件的参数；以及将具有计算的参数的力元件耦合到耦合器，以制作致动器。如上所述，反谐振是谐振元件的次要谐振，在此几乎没有力传输到负载，因此在这些模式的频率处存在由致动器提供的力中的下陷或零点。通过减少这些模式的激励，力随着频率的变化减少，并且基本上更一致的力可以传递到负载。如果该负载是扬声器膜片，则与其中没有处理驱动致动器的零点的扬声器相比，得到的扬声器具有改进的效率和响应一致性。在结构上实现本发明的结果，而不需要之前已经提出用于处理该问题的、复杂和昂贵的反馈系统。传递函数是施加的力对于耦合到要由致动器驱动的负载的力的趋势的表示。传递函数可以通过测量、通过数值分析(如有限元分析)、或通过系统行为的数学表达式的知识直接获得。在由致动器驱动的负载处的合力可以从传递函数计算。误差函数可以提供从力分布的参数导出的误差平方和响应。力元件的参数可以包括它们在耦合器上的位置和每个力元件施加的力。耦合器可以是谐振元件的形式，该谐振元件具有操作频率中的多个谐振弯曲波模式，该操作频率包括具有指示至少一个反谐振的存在的误差泛函的至少一个反谐振。力元件可以位于谐振元件的至少一个反谐振的节点线处或附近。以该方式，至少最小化或者甚至可以防止至少一个反谐振的激励。谐振元件以及因此致动器自身优选不辐射。力元件可以在抑制谐振元件的第二和第三模式的至少一个的位置上，耦合到谐振元件。例如，可以在第三模式的节点线上将第一和第二力元件耦合到谐振元件，并且可以在第二模式的节点线上将第三力元件耦合到谐振元件。谐振元件可以是横梁、盘或环形板的形式。对于环形板，力元件可以在沿着谐振元件半径的相对位置0. 43,0. 56和0. 69处。谐振元件可以在一端/边被夹住或支持，并且在相对端/边被夹到或支持到负载。谐振元件的边界条件在确定传递函数时是重要的。例如，对于至少一端夹住条件，这样的致动器可以工作下到dc (直流)。这样的致动器可以提供用于在谐振元件的范围内力的分布的最优解决方案，以便最大化在驱动端传递的力，并且最小化谐振元件自身的弯曲。每个力元件施加的力可以不同，从而到负载的和输出趋于随着频率单调，S卩，力是相同幅度，在频率响应中没有零点。致动器还可以包括耦合器，其将作用在谐振元件上的力求和，并且将和力传送到要驱动的负载。对于环形或圆形谐振元件，每个力元件施加的力可以与它们关联节点的半径成比例。例如，对于具有三个力元件的致动器，每个元件施加的力的相对值可以是0.646、0.732和0.215。该作用在谐振元件上的力的分布的修整(位置和 /或力量中)可以增加致动器的可使用带宽。根据本发明另一方面，提供了一种根据上述详细描述的方法制作的电磁致动器。 该电磁致动器可以包括具有多个磁体的磁体组件和具有多个音圈的音圈组件，该多个音圈支持在耦合器上，并且与磁体协作以形成力元件。该耦合器可以为圆形或环形，并且音圈可以同心地安装在耦合器上。对于谐振元件形式的耦合器，音圈在基底上的位置可以使得不驱动谐振元件的第二和第三模式的至少一个。致动器可以包括三个音圈，其中内部和外部音圈位于第三模式的节点线上，并且中间音圈位于第二模式的节点线上。音圈可以沿着谐振元件的半径在相对位置0. 43,0. 56和0. 69安装。如上所述，每个力的幅度优选求和以给出正确的净力。对于具有三个音圈的致动器，内部音圈施加的力可设为适当的可用值，并且内部和外部力设为平衡求和输出力。外部力可以小于内部力。例如，力可以为对外部音圈0.05N、对中心音圈0. 17N和对内部音圈 0. 15N。磁体组件可以进一步包括一对极靴(pole piece)。磁体可以是环形磁体，其可以围绕致动器的中心轴共轴地安装。磁体可以具有梯形截面，并且梯形的长平行边可以安装到一个极靴。耦合器可以是如其上印刷音圈的印刷电路板的基底。印刷电路板还可以携带另外的电子设备。根据本发明的另一方面，提供了一种使用上述方法制作的压电致动器。该压电致动器可以包括形成力元件的多个电极。每个电极可以施加不同的力或权重给谐振元件。对于压电致动器，力元件的参数可以另外包括各电极之间的划分点和电极的数量。该致动器可以是具有单层压电材料的单压电晶片。通过使用图案形成 (patterning)移除压电材料，可以在单层压电材料中限定多个电极。可替代地，通过施加不同电压给压电层的不同区域，可以限定多个电极。压电致动器可以包括三个电极，每个具有0. 8、0和-0. 6的权重。耦合器可以为横梁的形式，并且可以在一边被夹住，并且在相对边被夹到负载。耦合器可以为夹在两个压电层之间的中心叶片(vane)形式，其中每个压电层包括形成力元件的至少两个电极。因此，根据本发明的另一方面，提供了一种单压电晶片致动器，包括夹在两个压电层之间的中心叶片，其中每个压电层包括形成上述致动器的力元件的至少两个电极。至少两个电极的参数可以包括各电极之间的(各)划分位置和施加到每个电极的电压。电压可以只施加到每层中的一个电极，或者相等并相反的电压可以施加到相邻电极。通过在压电层的归一化长度的0. 471设置两个电极之间的划分，并且只施加电压到每层中的一个电极，可以抑制来自第二模式的峰值。如果由于缺少电极导致的电平损失不可接受，则可以给另一电极提供调谐到正确频率的陷波滤波器的输出。可替代地，通过在压电层的归一化长度的0. 625设置两个电极之间的划分，并且施加电压到每层中的每个电极，可以抑制来自第二模式的峰值。通过协作地选择划分和施加到每个电极的电压的比率二者，可以抑制两种模式。 例如，通过在压电层的归一化长度的0. 625设置两个电极之间的划分，并且设置电压比为 1 0.M4，可以抑制来自第二和第三模式的峰值。在任何实施例(特别是压电的)中，致动器可以具有低轮廓(profile)，并且可以具有低至3. 5mm的深度。这样的设计适于并入贺卡、包装和新颖应用中。致动器可以是惯性的(inertail)，g卩，不接地到边框或其他支持物。换句话说，致动器可以自由地振动或弯曲，因此经由与振动期间加速和减速其自身质量相关联的惯性产生力。在任何实施例中，致动器可以进一步包括阻尼部件，用于减少频率响应中的任何峰值。可替代地，可以衰减对致动器的输入，以便减少频率响应中的任何峰值。例如，对于包括包夹中心叶片的两个压电层的双压电晶片致动器，存在抑制至少一种模式的若干方式。 这些用于抑制各模式的技术可以与上述用于抑制任何反谐振的技术结合地或单独地使用。根据本发明另一方面，提供了一种扬声器，包括辐射器和如之前所述致动器，该致动器安装到辐射器以激励辐射器产生声音输出。该辐射器可以是能够支持谐振弯曲波振动的面板。
在附图中通过示例的方式图解地图示了本发明，附图中图Ia是已知的平板致动器的示意性局部截面图Ib是用于图Ia的致动器的阻挡力对频率的曲线图；图加到2c是根据图Ia的致动器的第一三种模式的示意图；图2d是示出根据本发明的致动器中的音圈的位置的示意图；图3a是根据本发明的平板致动器的示意性局部截面图；图北是用于图3a的致动器的阻挡力对频率的曲线图；图3c是用于并入图3a的致动器的扬声器的声压对频率的曲线图；图如是第二已知致动器的示意性局部截面图；图4b和如示出图如的致动器的第一两种模式；图fe是根据本发明的第二致动器的示意性局部截面图；图恥到5d示出图fe的致动器的内部、中间和外部电极环的在20kHz的移位形状；图k示出用于图恥到5d的电极的每个的单独传递函数幅度；图5f示出在相同(el23)和SO优化权重(esum)的情况下，用于图fe的致动器的合力对频率的变化；图5g示出在相同(el23)和Sl优化权重(esum)的情况下，用于图fe的致动器的合力对频率的变化；图6a示出杠杆模态力生成器的侧视图；图6b是用于图6a的力生成器的两种变化的样本输出；图7a是根据本发明的模态力生成器的局部截面图；图7b和7c示出用于图7a的力生成器的第一四种模式形状；图7d是用于图7a的力生成器的样本传递函数的合成输出力对频率的曲线图；图7e是用于图7a的力生成器的、具有优化加权的样本传递函数的合成输出力对频率的曲线图；图7f是用于具有替代优化加权的样本传递函数的合成输出力对频率的曲线图；图7g示出用于图7a的优化力生成器的扭矩输出随频率的变化；图和8b示出用于双压电晶片压电致动器的模式形状移位和对应的弯矩；图8c比较标准双压电晶片和单极性、单电压双压电晶片的两个实施例的性能；图8d比较标准双压电晶片和双极性单电压双压电晶片的性能；图8e比较标准双压电晶片和双极性双电压双压电晶片的性能；以及图8f是用于要施加到双压电晶片致动器的可变电势的阻挡力和阻挡扭矩的曲线图。
具体实施例方式图加到2c示出使用轴对称FEA模型计算的、用于图Ia的基底的第一三种模式的形状。这三种模式覆盖达27. SkHz的操作频率范围，所以不需要考虑更多模式。当确定这些模式的形状时，基底的边界条件的性质是关键的。在其最内边缘，基底被夹到磁体组件， 并且有效地防止旋转。在其外边缘，基底通过在低频率也可以认为是没有旋转的刚性连接器固定到面板(在高频率没有东西是刚性的，并且面板和连接器两者都移位和旋转)。相应地，边界条件对于基底的内和外边缘相同。在图Ia中，各音圈沿着半径均勻分布。相应地，第一三种模式的每个被驱动到导致力中的不可接受的下陷的某种程度。将一直驱动第一模式，因为致动器是惯性的(即，没有外部地参考)。第一模式是其行为不可缺少(integral)的部分。相应地，相对于第二和第三模式的音圈的位置需要仔细选择。定位内部和外部音圈，使得与第三模式的节点线一致的生成力确保不激励该模式。此外，第三模式的节点线相等地分隔第二模式的节点线的任一侧。相应地，内部和外部音圈将不驱动第二模式。中间音圈设置在第二模式的节点线以避免激励该模式。图2d示出得到的三种力的位置。图3a示出这样的致动器，除了已经根据本发明选择音圈的位置，其类似于图Ia的致动器。在下面的表中，与连接器14和由上和下极板MJ6提供的夹子的内和外半径位置一起，列出在耦合器基底观上每个音圈30、32、34的内和外半径位置的位置。还示出了作为面板的半径的百分比的每个线圈的中点的位置。为了清楚，省略了在修正的线圈位置处的磁体16、18、20和22。
权利要求
1.一种制作包括多个力元件的致动器的方法，该方法包括提供用于将来自力各元件的力耦合到负载的耦合器；计算每个力元件的传递函数，其中传递函数允许预测提供给负载的力；确定误差泛函，其指示预测的力中的任何不期望的下陷；计算最小化误差泛函的各力元件的参数；以及将具有计算的参数的力元件耦合到耦合器，以制作致动器。
2.如权利要求1所述的方法，其中，各力元件的参数包括它们在耦合器上的位置和每个力元件施加的力。
3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，包括提供具有操作频率中的多个谐振弯曲波模式的谐振元件的形式的耦合器，该操作频率包括至少一个反谐振，并且误差泛函指示至少一个反谐振的存在。
4.如权利要求3所述的致动器，包括在谐振元件的至少一个反谐振的节点线上或附近将各力元件耦合到谐振元件。
5.如权利要求3或权利要求4所述的方法，包括在抑制谐振元件的第二和第三模式的至少一个的位置上将各力元件耦合到谐振元件。
6.如权利要求5所述的方法，包括在第三模式的节点线上将第一和第二力元件耦合到谐振元件，并且在第二模式的节点线上将第三力元件耦合到谐振元件。
7.如之前权利要求的任一所述的方法，包括通过测量获得传递函数。
8.如权利要求1到6的任一所述的方法，包括通过数值分析获得传递函数。
9.如权利要求1到6的任一所述的方法，包括通过系统行为的数学表达式的知识获得传递函数。
10.一种通过权利要求1到9的任一的方法制作的压电致动器，该致动器包括形成各力元件的多个电极，并且各力元件的参数包括各电极之间的划分点和电极的数量。
11.如权利要求10所述的致动器，其中该致动器是具有单层压电材料的单压电晶片。
12.如权利要求11所述的致动器，包括三个电极，每个施加0.8、0和-0. 6的相对力到華禹合器。
13.如权利要求10到12的任一所述的致动器，其中耦合器为横梁、盘或环形板的形式。
14.如权利要求13所述的致动器，其中耦合器为横梁的形式，并且在一个边缘被夹住， 并且在相对边被夹到负载。
15.如权利要求12到14的任一所述的致动器，包括夹在两个压电层之间的中心叶片形式的耦合器，其中每个压电层包括形成力元件的至少两个电极。
16.如权利要求15所述的双压电晶片致动器，其中至少两个电极的参数包括各电极之间的划分位置和施加到每个电极的电压。
17.如权利要求16所述的双压电晶片致动器，其中在每个压电层中存在两个电极，并且两个电极之间的划分在压电层的归一化长度的0. 471。
18.如权利要求16所述的双压电晶片致动器，其中在每个压电层中存在两个电极，并且两个电极之间的划分在压电层的归一化长度的0. 625。
19.如权利要求16所述的双压电晶片致动器，其中在每个压电层中存在两个电极，并且两个电极之间的划分在压电层的归一化长度的0.355，并且比率为1 0.244的电压施加到每个电极。
20.如权利要求17或权利要求18所述的双压电晶片致动器，其中电压只施加到每层中的一个电极。
21.如权利要求17或权利要求18所述的双压电晶片致动器，其中相等并相反的电压施加到相邻电极。
22.一种通过权利要求1到9的任一所述的方法制作的电磁致动器，该致动器包括具有多个磁体的磁体组件和具有多个音圈的音圈组件，该多个音圈支持在耦合器上，并且与各磁体协作以形成各力元件。
23.如权利要求22所述的致动器，其中耦合器为环形，并且各音圈沿着耦合器的半径在相对位置0. 43,0. 56和0. 69安装。
24.如权利要求22所述的致动器，其中每个音圈施加的力为对外部音圈0.05N、中心音圈0. 17N和内部音圈0. 15N。
25.如权利要求10到M的任一所述的致动器，包括阻尼部件，用于减少频率响应中的任何峰值。
全文摘要
本发明涉及一种制作包括多个力元件的致动器的方法和根据该方法制作的致动器。该方法包括提供用于将来自各力元件的力耦合到负载的耦合器；计算用于每个力元件的传递函数，其中传递函数允许预测提供给负载的力；确定误差泛函，其指示在预测的力中的任何不期望的下陷；计算最小化误差泛函的各力元件的参数；以及将具有计算的参数的各力元件耦合到耦合器，以制作致动器。
文档编号H01L41/09GK102484756SQ201080038747
公开日2012年5月30日 申请日期2010年6月14日 优先权日2009年6月30日
发明者N.J.哈里斯 申请人:新型转换器有限公司