模块化入耳式设备的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年10月31日提交的第16/176,660号美国申请的权益，其内容通过引用并入本文。

本公开一般涉及入耳式设备。

背景技术：

耳机(headphone)是戴在用户的耳朵上或耳朵周围的一对扬声器。罩耳式(circumaural)耳机使用用户头顶上的带子来将扬声器保持在用户的耳朵上或耳朵内适当的位置。另一类型的耳机被称为耳塞(earbud)或听筒(earpiece)，由插入用户耳道的独立的单片单元组成。

随着个人电子设备使用的增加，耳机和耳塞都变得越来越普遍。例如，人们使用耳机连接到他们的电话来播放音乐、听播客等。然而，要获得高质量的声音，这些设备可能非常昂贵。如果单片设备损坏或磨损，用户需要购买一对新的。

附图说明

参考以下附图描述了本发明的非限制性和非穷尽性实施例，其中除非另有说明，否则在各个视图中相同的附图标记指代相同的部件。并非元素的所有实例都必须进行标记，以免在适当的地方使绘图凌乱。附图不一定是按比例绘制的，重点在于说明所描述的原理。

图1是人耳解剖结构的卡通图示。

图2a示出了根据本公开实施例的模块化入耳式设备。

图2b示出了根据本公开的实施例的图2a的模块化入耳式设备的框图。

图3示出了根据本公开的实施例的用于对包括在图2a-图2b的入耳式设备中的电子封装进行充电的系统的一部分。

图4示出了根据本公开的实施例的使用入耳式设备的方法。

具体实施方式

本文描述了用于模块化入耳式设备的系统、装置和方法的实施例。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文描述的技术可以在没有一个或多个所述具体细节的情况下实践，或者可以利用其他方法、组件、材料等来实践。在其他实例中，没有详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免模糊某些方面。

在整个说明书中提到“一个实施例”或“实施例”意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书的不同地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。

一般地，耳戴式监听器在移动中向人耳显示声音是很有用的。音乐、导向、数字助理和环境声音修改都是人们想要的。通常情况下，只有当您能够适当消除自然声音时，才能实现高质量的声音增强。例如，要从您感知的音频场中“删除”吵闹的火车噪音，您必须能够闭塞或主动消除它。一种消除声音的方法是机械闭塞。然而，腔道闭塞设备(例如，耳塞)可能会不舒适，并且不能被一直佩戴，因为从与耳道的不完美的一刀切(one-size-fits-all)干涉配合形成的“热点”。此外，在声音闭塞设备必须被长时间佩戴的吵闹的环境中(例如，专业音乐、建设等)，它们可能不能提供足够的闭塞。

可以制造具有您外耳的几何形状并制成既更闭塞、长时间佩戴又更舒适的定制配合设备的单件硬性(例如，硬性塑料)耳机。然而，这些单件设备可能很贵，难以放进放出，并且更有可能被耳垢和皮脂、耳道蜡状物和油“粘黏”。这里，我们提出了一种用于定制配合、高闭塞和舒适的(全天佩戴)设备的设备、系统和方法。在一些实施例中，该设备具有三个部分。

第一部分是定制耳模制件软性聚合物界面。模制件(molding)是通过获得耳朵的几何形状、数字地生成最优表面形状、并为音频封装制造“套筒”(稍后描述)而制作的。这种模制件可以非常便宜，由软性生物相容性材料(如硅树脂)制成，并且在劣化时可以更换。在进行初始测量之后，一旦模制件磨损或“粘黏”，用户可以以很低的成本重新订购新的模制件(例如，模制件可以是3d打印的)。

第二部分是音频封装，其可以包括装配在软性聚合物定制耳模制件内的口袋中的平衡电枢型组件(或其他扬声器设备)。这一部分可以大量生产，大大降低了成本，并且提高了可靠性。这一部分可能有些昂贵，但也将有可能是设备中寿命最长的部分，并且随着人们不断升级其入耳式设备，其模块化对于节约成本非常重要。

第三部分是电子封装，其“咬合”在音频封装的外面。这种封装可以采用“硬币”的形状，利用适当位置的电接触引脚磁性地附接到音频封装，并且包含其他电子器件，包括但不限于收音机、音频处理asic、麦克风、放大器、微处理器和电池。这种电子“硬币”可以容易地移除和充电。通过由这一概念的模块化性质所实现的大规模生产，电子封装可以想象得到地足够便宜来让您随身携带两对。因此，在该实施例中，可以保持薄度，因为电池寿命只需要为正常佩戴时间的一半。此外，随着算法、电池和定制音频处理集成电路的改进，这一部分可以更新，而无需新的耳朵扫描、定制制造或昂贵的音频驱动器更换。

因此，该模块化设备的实施例允许用户以最小的成本使用并定期更换软性舒适的定制耳机。该设备还允许用户以最小的成本升级设备的硬件/固件，因为该设备的“智能”可以被包括在可以大规模生产的单独的可拆卸电子封装中。该设备让用户保留并重复使用入耳式设备中最昂贵的(也是最不可能损坏或变得技术过时的)部分：音频封装。此外，用户可以随身携带多个电子封装，通过能够将用完的电池换成充满电的电池来功能性地延长入耳式设备的电池寿命。因此，本文公开的实施例提供了比在劣化、损坏或变得技术过时时必须完全更换的单件单片耳塞好得多的用户体验。

以下公开将描述上述实施例和其他实施例，正如它们参考附图一样。

图1是人耳解剖结构的卡通图示。所描绘的解剖结构可以结合入耳式设备(参见例如图2)如何配合耳朵内部来参考。图示为耳轮、三角窝、达尔文结节、耳舟、耳甲(包括耳甲艇和腔)、对耳轮、耳郭后沟、对耳屏、外耳道、对耳轮脚(上下两者)、耳胫、前切迹、耳屏上结节、腔道、耳屏、屏间切迹和耳垂的位置。

图2a示出了根据本公开实施例的模块化入耳式设备200。所描绘的实施例示出了模制件201、音频封装221和电子封装241。然而，本领域技术人员将理解，根据本公开的教导，可以有附加的模块化组件，或者所示的组件可以被分成子组件。每个耳朵可以有一个入耳式设备200(例如，两个入耳式设备200可以作为一套出售)。

如图所示，模制件201被成形为将入耳式设备200保持在耳廓中(图1中描绘的外耳)并闭塞腔道，因为它是被定制成形为用户的耳朵的(例如，通过形成用户的耳朵的硅模具、对用户的耳朵进行光学测量等)。应当理解，定制成形设备是已经进行测量以使该设备配合用户的耳朵的任何设备。音频封装221被配置为发出声音，并且被构造成可移除地附接到模制件201。这里，音频封装221装配在模制件的中空部分(例如，包围)内，并且通过装配到音频封装221中的沟槽中的软性聚合物脊被机械地保持在适当的位置；然而，本领域技术人员将理解，可以使用其他机械附接技术(例如，干涉配合、咬合或紧固件)来将音频封装221保持在适当的位置。此外，在一些实施例中，诸如磁体等的其他附接机构可以用于将音频封装221保持在模制件201中。

在一些实施例中，音频封装221被密封在外壳(例如，塑料模制件等)中以防止水和来自耳朵的物质进入音频电子组件。然而，可以存在从其中发出声音的孔。音频封装221中的电子器件可以被完全密封，使得只有发声部分被暴露给耳朵。

这里所描绘的，电子封装241大致是硬币形状的，并且包括电极243以耦合到音频封装221上的电极。然而，在其他实施例中，电子封装241可以大致不是硬币形状的，并且采用其他配置(例如，正方形、椭圆形、六边形、抽象形状等)。此外，电子封装241包括端口243(例如，以容纳(receive)耳机插孔形状的电极)来给电子封装241充电或与其通信。然而，如将要示出的，在许多实施例中，电子封装241可以无线地充电和与其他设备通信。电子封装241被构造成可移除地耦合到音频封装221(例如，磁性地——使用钕、铁等；物理地——使用摩擦、咬合或魔术带(velcro)粘附；化学地——用可释放的聚合物等)，并且可移除地附接到模制件。例如，电子封装可以仅通过粘附到音频封装221(其已经附接到模制件201，从而将电子封装241“附接”到模制件201)而附接到模制件201。然而，在其他实施例中，电子封装241既附接到音频封装221，又物理地附接到模制件201(例如，装配在模制件201的大致硬币形状的凹槽内)。像音频封装221一样，在一些实施例中，电子封装241可以密封在分立的外壳(与音频封装221的外壳分离)中，以防止水和来自耳朵的物质进入。这样，电子封装241中的电子器件不会腐蚀或失效。

图2b示出了根据本公开的实施例的图2a的模块化入耳式设备200的框图。本领域普通技术人员将理解，这仅仅是卡通图示，并且所描绘的设备没有按比例绘制(并且没有示出为它们的实际形状)。此外，一件设备架构(例如，音频封装221)中的所有电子组件电耦合。根据本公开的教导，所描绘的设备可以具有附加的或更少的组件。

如图2a，描绘了模制件201、音频封装221和电子封装241。如图所示，音频封装221包括音频电子器件，诸如一个或多个(三个)平衡电枢驱动器(balancedarmaturedriver，bad)——通过使用电磁场振动“簧片”来产生声音的设备——包括高范围bad221、中范围bad225和低范围bad227，以分别产生高、中和低音高(pitch)。然而，在其他实施例中，可以使用其他发声设备(例如，基于锥体/线圈的扬声器等)。音频封装221还包括一个或多个麦克风(例如，mic.1229，mic.2231)，其可以具有不同尺寸的隔膜、材料、方向(例如，一个面向外部世界，一个面向用户的耳道)。麦克风229和231可以用于记录外部声音，并且响应于利用控制器247接收到外部声音数据，入耳式设备可从音频封装发出声音以减小由用户的耳朵中的耳膜接收的外部声音的幅度(例如，通过声波的相消干涉)。应当理解，本文的设备不仅可以消除声音，还可以放大选择的声音、提供按需的声音透明(例如，识别声音并让它们“传递通过”设备，就好像它们是自然听到的一样)、翻译语言、提供虚拟助理服务(例如，耳机记录问题、将自然语言数据发送到云273进行处理、并接收问题的自然语言答案)等。如上所述，麦克风229和231中的一个或多个可以是腔道麦克风(例如，面向耳道以接收耳道中的声音，诸如用户产生的语音或其他声音)。腔道麦克风可以用于接收用户的语音(例如，当入耳式设备200用于进行电话呼叫时)并将记录的声音数据传输到外部设备。腔道麦克风也可以用于噪声消除和噪声透明功能，以检测用户发出的噪声(例如，咀嚼、呼吸等)并(由入耳式设备200)消除闭塞的耳道中的这些噪音。应当理解，用户产生的噪声在闭塞的腔道中可能看起来特别大，因此，除了外部声音之外，可能希望使用本文描述的噪声消除技术来消除这些声音。

电子封装241包括控制器247和/或一个或多个通用处理器(generalpurposeprocessor，gpp)251，控制器247可以包括一个或多个处理特定信号处理任务的专用集成电路(asic)249。控制器可以包括当由控制器执行时使得入耳式设备执行各种操作的逻辑(例如，以硬件、软件、云上/跨分布式系统或其组合来实施)。操作可以包括播放音乐/音频、执行噪声消除计算等。电池253(例如，锂离子电池等)或其他能量存储设备(例如，电容器)也被包括在电子封装241中，以向控制器247和其他电路提供电力。充电电路255(例如，感应充电回路、直接插入等)耦合到电池253以对电池253进行充电。通信电路257(例如，发射器、接收器或收发器)被耦合以经由wi-fi、蓝牙或其他通信协议与一个或多个外部设备(例如，无线路由器、智能电话、平板电脑、手机网络等)进行通信。在所描绘的实施例中，电子封装241还包括一个或多个麦克风(例如，mic.3258)。这可以服务于与音频封装221中的麦克风相同的目的：记录声音以上传到外部设备、噪声消除功能或噪声透明功能。应当理解，根据本公开的教导，许多相同的电子设备可以包括在音频封装221和电子封装241两者中，并且电子设备可以以任何合适的方式组合。

如上所述，控制器247可以包括执行实时或接近实时的噪声消除、声音透明和声音增强功能的逻辑(或耦合到远程逻辑)。例如，本地或远程逻辑可以包括机器学习算法(例如，被训练成识别特定声音特征的神经网络、递归神经网络、长短期记忆网络等)和其他计算技术(例如，试探法和阈值法)，它们可以单独使用或组合使用来识别特定声音并消除或放大这些声音。例如，用户可以选择永远不再听到汽车喇叭鸣响，除非其邻近度非常靠近(例如，通过音量或其他技术测量)。机器学习模型(和其他算法)将被训练来过滤和抑制汽车喇叭，除非它检测到声音在用户的阈值邻近度内。或者如果用户想要退出对话，用户可以阻止他们自己听到对话，除非说出特定单词或短语，然后这里的系统可以选择性地传递通过对话的该部分(例如，特定声音的智能消除)。在一些示例中，系统可以执行实时或接近实时的翻译(例如，其中用户听不到第三方在说西班牙语，而是在他们的耳朵里听到英语单词)。根据处理要求和可用的硬件，这种声音修改功能的处理可以在本地、云上或它们的组合上进行。

该系统还可以包括以声音保留其空间信息的方式“传递”声音的逻辑(例如，因此用户知道声音来自哪个方向——当佩戴闭塞设备时，这些信息通常会丢失。类似地，系统可以消除用户产生的声音(例如，咀嚼、呼吸等)，其中当耳道封闭时，这些声音通常被感知到更大。如上所述，用户可以使用用户界面选择他们想要听到的声音/噪音，以及要移除的声音/噪音，如下所述。在一个实施例中，这可能来自一系列常见的噪声，或者特定于用户的噪声。

在所描绘的实施例中，电子封装241包括一个或多个磁体261，其可以用于将电子封装241连接到音频封装221。音频封装221可以具有与电子封装241上的磁体261具有互补方向(例如，n到s)的磁体235，以便当放置在一起时，音频封装221和电子封装241自动对齐。这样，电子封装241上的电极243可以自动与音频封装221上的适当对应电极223对齐。换句话说，音频封装221包括第一电极235，电子封装241包括第二电极243，并且当电子封装241磁性地附接到音频封装221时，第一电极235和第二电极243被定位成自对齐(然而，如上所述，根据本公开的教导，可以使用其他附接方法)。这允许音频封装221和电子封装241电耦合和通信。在一些实施例中，突出的电极243(其可以在音频封装221上或者在电子封装241上)可以被弹簧加载并在封装没有接触时缩回到它们各自的封装(例如，这里是电子封装241)中。

如图所示，通信电路257可以与智能电话/平板电脑277或其他便携式电子设备和/或作为“云”273的一部分的一个或多个服务器271和存储装置275通信。数据可以从入耳式设备200传输到外部设备，例如，来自麦克风229/231的录音可以被发送到智能电话277并上传到云。相反，可以从一个或多个外部设备下载数据；例如，可以从智能电话277或直接从(例如，用户家中的)wi-fi网络检索音乐。智能电话277或其他远程设备可以用于手动地(例如，通过类似应用的用户界面)或自动地(例如，自动数据同步)与入耳式设备200交互并控制入耳式设备200。在一些实施例中，所描绘的一个或多个外部设备可以用于执行处理器密集型计算，并将结果发送回入耳式设备200。

图3示出了根据本公开的实施例的用于对包括在图2a-图2b的入耳式设备200中的电子封装241进行充电的系统381的一部分。如所描绘的，充电系统381包括带有被成形为容纳硬币形状(或如上所述的其它形状)的电子封装241的插槽的小盒子。在所描绘的实施例中，电子封装241可以被插入插槽中以充电(例如，经由感应充电回路或通过电极的直接电连接)。电子封装241可以部分地从插槽中伸出，因此它们可以被容易地移除并插入到入耳式设备中。

在所描绘的实施例中，充电系统381具有四个插槽来保持四个电子封装241；然而，在其他实施例中，可以有更多的插槽或更少的插槽。如图所示，充电系统381包括电池385、充电电路387、通信电路389、存储器391和控制器393。控制器393可以包括一个或多个asic395和一个或多个通用处理器397。如图所示，充电系统381可以与设置在用户耳朵内的电子封装241无线地通信(例如，虚线)。例如，电子封装2141可以将它们的电荷水平通信传送给充电系统381，并且充电系统381可以计算整个系统剩余的电荷总量(例如，充电系统381内包含的电荷和电子封装241中的剩余电荷的总和)。

在一个实施例中，充电系统381包括端口383(例如，微型usb端口等)来给电池385充电。在一些实施例中，充电系统381可以足够小以适合大多数口袋(例如，2”x2”x0.5”)。由于充电系统381仅需要保持电子封装241“硬币”，而不是整个组装的入耳式设备200，所以充电系统可以比入耳式设备更小(在一个或多个维度上)。

如图所示，充电系统381可以与外部设备(诸如智能电话/平板电脑277、一个或多个服务器271、存储装置275，它们都可以是云273的一部分)通信。电子封装381可以无线地或有线地(例如，通过到智能电话277的有线连接端口383，或者通过蓝牙、wi-fi等)与这些设备通信。通信电路398可以向外部设备传输诸如充电系统381的总电荷水平的信息，因此用户具有关于电荷水平的实时信息。充电系统381还可以向外部设备发送其他信息(例如，包含在充电系统381内的电子封装241的数量)。

图4是根据本公开的实施例的使用入耳式设备的方法400。本领域普通技术人员将理解，块401-413可以以任何顺序甚至并行发生。此外，根据本公开的教导，可以向方法400添加块或从方法400移除块。

块401示出了将模制件(其可以被定制成形为适合耳朵，并将入耳式设备保持在适当的位置)可移除地附接到被配置为发出声音的音频封装。在一些实施例中，这可能涉及将模制件机械地附接到音频封装(例如，干涉配合等)。

块403示出了将电子封装可移除地附接到(例如，可附接且容易移除而不损坏设备)模制件和音频封装。在一个实施例中，这可以在将模制件放置在耳朵中之后发生。当音频封装附接到电子封装时，电子封装被耦合以与音频封装通信，并且电子封装包括控制器以控制从音频封装输出的声音。在一个实施例中，电子封装和音频封装可以经由磁体、闩锁、干涉配合等连接。

块405描绘了在将电子封装可移除地附接到音频封装之后，从设置在音频封装中的一个或多个平衡电枢驱动器发出声音。这可以响应于利用设置在电子封装中的通信系统从外部设备接收数据(例如，音乐、语音等)。

块407示出了从设置在音频封装中的一个或多个麦克风接收第二声音。该第二声音(不是由音频封装产生的声音)可以在耳朵内部或外部，并且可以被用户感知为噪声。例如，声音可能是飞机着陆的声音。记录该声音的一个或多个麦克风可以将声音数据传送到控制器。声音也可以从耳朵内部记录(例如，呼吸/咀嚼)。

块409描绘了响应于利用控制器接收到第二声音数据，从一个或多个平衡电枢驱动器发出声音，以减小由耳朵中的耳膜接收的第二声音的幅度。换句话说，平衡电枢驱动器(或其他发声设备)可以发出与第二声音相消干涉的声音，以减小压力波的幅度。因此，外部声音的音量(例如，飞机着陆)减小。

如上所述，在一些实施例中，取决于用户选择的声音消除/增强属性(profile)，特定声音也可以被增强或“传递”(例如，用麦克风记录，然后由扬声器输出)给用户。此外，该系统可以执行实时或接近实时的语言翻译。可以出现其他声音增强，诸如增加/减少声音的相对音量(例如，减少背景噪音，同时增加正在与另一个人进行的对话的声音，无论是面对面还是通过电话)。如上所述，系统还可以执行计算以保持呈现给用户的输入声音的特定方向(例如，因此用户知道声音来自哪个方向)。

块411示出了从模制件和音频封装移除电子封装，并将电子封装放置在成形为容纳电子封装的充电容器中。在该实施例中，用户耳朵里的一个或多个电子封装可能已经没电了。因此，用户可以从入耳式设备中取出电子封装(例如，而设备的其余部分仍在用户的耳朵中),并将电子封装放入充电容器中。

块413示出了使用充电容器对电子封装进行充电(例如，在用户将电子封装放入充电容器之后)。充电容器可以包括充电电路(例如，感应回路、暴露的电极等)以在电子封装被设置在充电容器内时向电子封装供电。电子封装可以磁性地或机械地保持在充电容器中(例如，充电容器可以具有关闭的盖子，或者电子封装可以通过干涉配合保持在其中)。

上面解释的过程是按照计算机软件和硬件来描述的。所描述的技术可以构成体现在有形或非暂时性机器(例如，计算机)可读存储介质内的机器可执行指令，当由机器执行时，该机器可执行指令将使机器执行所描述的操作。此外，这些过程可以在硬件内体现，诸如专用集成电路(“asic”)或其他。

有形机器可读存储介质包括提供(即，存储)机器(例如，计算机、网络设备、个人数字助理、制造工具、具有一个或多个处理器的集合的任何设备等)可访问的非暂时形式的信息。例如，机器可读存储介质包括可记录/不可记录介质(例如，只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存设备等)。

包括摘要中所描述的内容在内的本发明的示出实施例的上述描述并不旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。虽然本文出于说明的目的描述了本发明的具体实施例和示例，但是相关领域的技术人员将会认识到，在本发明的范围内各种修改是可能的。

根据以上详细描述，可以对本发明进行这些修改。在以下权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中公开的特定实施例。相反，本发明的范围完全由所附权利要求来确定，这些权利要求将根据权利要求解释的既定原则来解释。