使用膨胀型PTFE复合材料的振动声学罩的制作方法

文档序号:13985045
使用膨胀型PTFE复合材料的振动声学罩的制作方法

本专利申请要求2015年6月30日提交的美国临时申请系列号62/186492、名称为“使用膨胀型PTFE复合材料的振动声学罩”的优先权,其公开的全文通过引用全文纳入本文。

发明领域

该公开涉及复合材料膜以及包括复合材料膜的保护罩的领域。

背景

电子装置(例如,手机,寻呼机,收音机,助听器,头戴式耳机,条形码扫描仪,数码相机等)设计为外壳上具有位于声学变换器(例如钟、扬声器、麦克风、蜂鸣器、扩音器等)上以允许声音传输的小开口。声学保护罩位于开口上以保护变换器免受灰尘和水侵入的损害。

已知的声学保护罩包括非多孔膜和微孔膜,例如膨胀型PTFE(ePTFE)。声学保护罩也描述于US 6,512,834和US 5,828,012。部分该罩可以部件编号:GAW 324、GAW 325从戈尔及同仁公司(W.L.Gore&Associates,Inc)购得。

保护罩可以以两种方式传播声音:第一种是使得声波穿过保护罩,其称为阻抗保护罩(resistive protective cover),第二种是通过振动以产生声波,其称为声振(vibroacoustic)或反应性保护罩。

为了保护变换器的声学性能,声学保护罩必须提供最小的声音衰减,同时提供对于水入侵的高阻力、以及保护免于水或其它液体深度浸润。此外,可能需要具有能够SWB(超宽带)HD(高清晰度)语音呼叫的声学保护罩。使用本公开的膨胀型PTFE复合材料制成的声振保护罩满足以上需要。



技术实现要素:

根据某些实施方式,本公开提供了声学反应性复合材料,其具有:ePTFE膜,所述ePTFE膜具有基本上仅有原纤维的微结构;弹性体,所述弹性体完全浸渍在ePTFE膜中以形成复合材料;其中所述复合材料具有在1kHz下低于7dB的声损失,并且所述复合材料具有约20PSI或更大的WEP。优选,复合材料的质量为约1.5g/m2,ePTFE膜的厚度为约3.2微米,ePTFE膜的基质拉伸强度在纵向方向上为约655Mpa,并且在横向方向上为约310MPA,所述复合材料的弹性体重量百分比为约20%至约90%,所述复合材料具有第一侧和第二侧,并且进一步包括在所述第一侧和第二侧中至少一侧上的弹性体层,所述弹性体层约2微米厚,所述ePTFE膜厚度小于约25微米,所述复合材料的共振峰值大于约15KHz。另一方面,本公开提供了具有本文所述声学反应性复合材料的麦克风和扬声器。

根据某些其他实施方式,本公开提供层状组件,其包括与粘合剂层结合的声学反应性复合材料,其中层状组件限定了声腔。声学反应性复合材料由具有高度原纤化微结构的ePTFE膜和完全浸渍在ePTFE膜中的弹性体形成。

根据某些其它实施方式,本公开提供一种声学装置,其包括与声学装置结合的如上所述声学反应性复合材料,所述声学装置具有变换器和靠近变换器的声腔,其中,声学反应性复合材料层跨越声腔。在某些实施方式中,声学反应性复合材料层同样跨越声学装置外壳中的声道。

附图简要说明

图1是根据某些实施方式的声学保护罩结构的侧截面图。

图2A显示根据某些实施方式的ePTFE复合材料的示例,其具有由弹性体完全浸渍的ePTFE基质。

图2B显示根据某些实施方式的ePTFE复合材料的示例,其具有由弹性体完全浸渍的ePTFE基质以及在一侧上基本覆盖复合材料的弹性体涂层。

图2C显示根据某些实施方式的ePTFE复合材料的示例,其具有由弹性体完全浸渍的ePTFE以及涂覆复合材料两侧的弹性体涂层。

图3以侧横截面图显示了根据某些实施方式的频率响应测试设备的示例。

图4A显示了复合材料第一表面的扫描电子显微照片(SEM),所述复合材料包含弹性体浸渍的ePTFE基材。

图4B显示图4A复合材料的第二表面的SEM。

图4C示图4A和图4B复合材料的横截面的SEM。

图5显示根据某些实施方式的声学响应的示例。

图6以显示与声学装置和外壳结合的声学保护罩的侧面示意图,显示了声学装置的示例。

虽然本发明适用于各种修改和替代形式,但其具体实施方式通过示例的方式呈现在附图中,并将在下文中进行详细描述。但是,其意图并不是将本发明限制于所述的特定实施方式。不同的是,本发明意图覆盖全部修改形式、等同形式和替代形式。

具体实施方式

本文所描述的各种实施方式提出了一种声学保护罩、以及制造该声学保护罩的方法,所述声学保护罩能够实现最小的声音衰减和可选的SWB HD语音呼叫,同时提供足够的环境保护,包括防止水渗入。

根据某些实施方式的PTFE复合材料包含微孔膨胀型PTFE(ePTFE)膜基质以及完全浸渍在膜基质中的弹性体。复合材料具有第一表面和第二表面,并且弹性体薄层可选地存在于复合材料的第一或第二表面上、或者同时存在于这两个表面上。

图1显示根据某些实施方式安装有声学装置102的声学保护罩组件110的组件100的示例。如图所示,声学保护罩组件110包括复合材料112(如结合各种实施例所述的ePTFE复合材料)以及用于将声学保护罩组件固定到例如声学装置102(例如扬声器或接收器)的粘合剂层114(例如,粘合剂环)。声学装置102可以包括粘合剂层114所附着的装置主体106、以及变换器104。复合材料112是声学反应性的,即能够振动以产生声音。

例如,用于形成复合材料112和相关制造技术的合适ePTFE膜在美国专利号5,476,589或美国专利号7,306,729中进行描述,这两篇专利的全部内容通过引用并入本文。这些专利的ePTFE膜的高原纤化性质是有利的。亦即,所述膜具有基本上仅在交叉点融合的原纤维的微结构。与常规结点和原纤维ePTFE微结构不同,本文所述的ePTFE膜的高原纤化微结构形成的基本仅由原纤维组成的多孔微结构,即,原纤维不存在节点或微结构基本不含节点。

在某些实施方式中,ePTFE膜的厚度小于25微米,优选小于15微米,更优选小于5微米。

在某些实施方式中,ePTFE膜的质量小于5g/m2,优选小于3g/m2,更优选小于2.5g/m2,最优选小于1g/m2

在某些实施方式中,ePTFE膜两个正交方向上的基质拉伸强度的乘机大于约1.3x105MPa2。复合材料可以通过将弹性体/溶剂涂料组合物施加到包括由固体聚合物离型膜(release film)所支撑的ePTFE膜的基材上。所获得的复合材料具有完全浸渍在原纤化ePTFE膜基质中的弹性体,其中弹性体基本填充了ePTFE膜基质的孔。虽然一些未填充的空隙可以存在于完全浸渍的复合材料中,但是通常完全浸渍的复合材料膜对于空气是非多孔的。

如图2A-2C所示,根据各种实施方式,弹性体层任选地存在于复合材料的一个或两个表面上。例如,如图2A所示,高原纤化ePTFE基质202可以与第一数量的弹性体204a结合以形成完全浸渍的ePTFE/弹性体复合材料112a,其中,弹性体基本包含在复合材料层206中。当进行浸渍时,没有明显的空气流通过复合材料层206。例如,复合材料层206可以具有约10000秒的格利值。在另一示例中,如图2B所示,高原纤化ePTFE基质202可以与第二数量的弹性体204b结合以形成具有复合材料层206和单一弹性体涂层208(其也可以称为过渡涂层(butter coat))的第二完全浸渍的ePTFE/弹性体复合材料112。弹性体层的厚度小于5微米,更优选小于3微米,最优选小于2微米。单一弹性体涂层208的加入可以通过例如提高入水压力(water entry pressure,WEP)影响复合材料112b的性能特征。在第三示例中,如图2C所示,高原纤化ePTFE基质202可以与第三数量的弹性体204c结合以形成第三完全浸渍的ePTFE/弹性体复合材料112c。第三示例性完全浸渍的eTPFE/弹性体复合材料112c具有夹住复合材料层206的第一弹性体涂层208和第二弹性体涂层210。具有第一和第二弹性体涂层208、210的第三复合材料112c的实施方式可以具有进一步提高的WEP,超过基本没有弹性体涂层(例如,112a,图2A)或具有一个弹性体涂层(例如,112b,图2B)的实施方式。具体实施方式可以根据应用需要进行选择,例如,可以在声传递是最重要设计标准的情况下选择类似于第一复合材料112a的复合材料层,并且在WEP是更重要标准的情况下选择类似于第二或第三复合材料112b、112c的复合材料层。

涂料组合物可以使用本领域已知的任何常规技术施加到ePTFE膜基质上。合适技术的非限制性示例包括:喷雾、幕涂、浸涂、棒涂、刮刀涂布、转印辊涂布(transfer roll coating)、绕线棒涂布(wire-wound bar coating)、逆转辊涂布、施胶压榨、印刷、刷涂、描绘(drawing)、狭缝模头涂布、溶液涂布或浸润和挤出。

在其它非限制性实施方式中,一旦涂料组合物施加到基材上,则例如通过干燥或蒸发可选地去除溶剂。溶剂去除通过本领域已知的各种常规干燥技术完成。在非限制性实施方式中,可以通过在室温至300℉范围的温度下使得经涂布的基材曝露于强制通风条件,来对涂层进行干燥。在某些情况下,可以通过使得经涂布的基材曝露于强制通风(例如,惰性气体),来对涂层进行干燥。

弹性体通常选自一组如下的材料:具有低模量并由此对最终复合材料的硬度具有可忽略的直接贡献。弹性体赋予复合材料以尺寸稳定性和强度。

弹性体是基于苯乙烯的热塑性弹性体(例如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物)、或基于烯烃、或基于氯乙烯、或基于氨基甲酸酯、或基于酰亚胺、或基于酰胺的聚合物。在某些实施方式中,同样使用硅酮弹性体、优选热塑性硅酮或氟化硅酮、以及四氟乙烯/全氟甲基乙烯基醚共聚物,一种例如在美国专利号7462675中描述的材料。

将弹性体浸渍在ePTFE膜的原纤化PTFE基质中,以使得在所获得复合材料中弹性体的重量比为15%至90%。优选重量比大于0.2(20%),并且最优选重量比大于0.4(40%)。重量比限定为复合材料中弹性体重量除以复合材料总重量。

测试方法

声学响应

图3是声响应测量测试装置300的示例的示意图。以下方法用于测试声学罩(acoustic cover)样品。通过粘合剂314将样品312置于样品架板344上的圆形孔348(2mm直径)上。将样品312放置在距离内部驱动器或扬声器(未显示)约6.5cm处的B&K型4232消声测试箱内。使得扬声器激发以在1Pa的声压(94dB SPL)下产生频率范围为100Hz到20kHz的外部刺激。声学响应用Knowles SPU0410LR5H MEMS测试麦克风46在一些条件下进行测试:(a.)孔348未覆盖(b.)孔348覆盖有声学保护罩样品312。测试麦克风46的变换器352与圆形孔348流体连通。响应上的差值以dB(在具体频率下)记录为由于保护罩的声损失。振动膜罩产生对应于膜固有频率的共振峰值。共振峰值定义为在麦克风上产生最高声压水平(SPL)的频谱中的点。在某些情况下,在共振峰值处的声压水平可以超过由未覆盖孔获得的声压水平。

入水压力(WEP)

WEP涉及水侵入穿过材料。WEP值根据以下方法确定。测试样品(1.5mm直径圆形膜样品)通过夹具夹持在样品架上。然后样品用水加压。将发生水突破穿过膜的压力记录为入水压力。

实施例

实施例1

高度原纤化的膨胀型PTFE(ePTFE)膜按照美国专利7,306,729所述的一般教导进行制造。该膜的单位面积质量为约2.5g/m2,厚度为约3.2微米。

在42.5/57.5甲苯/庚烷溶液[溶液中10%固体]中的[Grade D1124]溶液用狭缝模头涂布系统浸渍到一卷上述ePTFE膜中,同时由聚乙烯离型膜进行支撑。溶剂在对流烘箱中在190℉温度下进行干燥。所获得复合材料的单位面积质量为5.2g/m2。所获得复合材料中重量比是0.52(52%)。

图4A和4B分别示出根据本发明实施方式的复合材料400的第一表面402的SEM和第二表面404的SEM。图4C显示了复合材料400的横截面。如图所示,ePTFE膜406由弹性体完全浸渍其整个横截面。如SEM中所示的复合材料400的厚度为约4.6微米。厚度约1.35微米的弹性体涂层408存在作为第二表面404上的缓冲涂层。图4C进一步显示在使用前从复合材料400上去除的牺牲层410。

参考图4,大体如图1所示的声学保护罩(1.2mm×1.6mm的矩形)的第一示例使用如上文实施例1中所述复合材料进行构造。声学保护罩设置有粘合剂框架以便于将声学保护罩安装至麦克风的扬声器/接收器。保护罩的声学响应根据本文中所述方法进行测试。

图5显示了使用不同示例性声学保护罩的声学响应测试的MEMS测量麦克风46(参见图3)处的声学响应,包括:第一示例性罩(参见上文实施例1)、第二示例性罩(参见下文实施例2)、两个比较例,以及其中没有使用声学保护罩的对照测试。

例如,图5显示了根据实施例1的第一示例性声学保护罩的保护罩声学响应。该实施例的声学保护罩的声损失在1kHz的频率下为6.43dB。共振峰值在20kHz频率下出现,远高于16KHz,表明该罩能够实现超宽带HD语音呼叫的能力。

第一示例性保护罩的WEP测定为73psi。

实施例2

膨胀型PTFE(ePTFE)按照美国专利7,306,729所述的一般教导进行制造。膜具有约0.52g/m2的单位面积质量、约655MPa的纵向方向上的基质拉伸强度和约310MPa的横向方向上的基质拉伸强度。

在42.5/57.5甲苯/庚烷溶液[溶液中4.5%固体]中的[Grade D1124]溶液用狭缝模头涂布系统浸渍到一卷上述ePTFE膜中,同时由聚乙烯离型膜进行支撑。溶剂在对流烘箱中在190℉的温度下进行干燥。所获得复合材料的单位面积质量为1.01g/m2。所获得复合材料中重量比是0.49(49%)。

大体如图1所示的声学保护罩(1.2mm×1.6mm的矩形)使用如上所述复合材料进行构造。声学保护罩设置有粘合剂框架以便于将声学保护罩安装至麦克风的扬声器/接收器。保护罩的声学响应根据本文中所述方法进行测试。

图5中还显示了根据实施例2的第二示例性声学保护罩的保护罩声学响应。该实施例的声学保护罩的声损失在1kHz的频率下为1.54dB。共振峰值在19.5kHz频率下出现,远高于16KHz,表明罩能够实现超宽带HD语音呼叫的能力。

第二示例性保护罩的WEP测定为20psi。

比较例

表I显示与上述实施例进行比较的两个比较例声学保护罩(1.2mm×1.6mm的矩形)的声损耗、共振峰值和WEP,所述声学保护罩可以是从W.L.戈尔联合公司(W.L.Gore&Associates,Inc.,)购得的部件编号GAW325和GAW340的产品。

如表I所示,与已知材料相比,本公开的声学保护罩令人惊讶地提供了低声损失和高入水压力的优良组合,同时保持了在16KHz或大于16KHz的共振峰值。

表I

可以对所讨论的示例性实施方式进行各种修改和添加而不偏离本发明的范围。例如,虽然提供了包括ePTFE膜的各种实施方式和实施例,但是应该理解的是,各种其它膜材料使用本文所述的技术和材料可选地形成为具有支撑层的复合材料。虽然上述实施方式涉及特定特征,但是本发明的范围还包括具有特征和不包括所有所述特征的实施方式的不同组合的实施方式。

图6显示了根据一些实施方式的声学装置组件600的侧面示意图,所述声学装置组件600采用与声学装置602结合的声学保护罩612。声学装置602可以是铃、扬声器、麦克风、蜂鸣器、扩音器、或任何类似的声学装置。声学装置602包括装置主体606以及变换器604,所述变换器604与装置主体连接或嵌入装置主体并与声腔626对齐。声腔626通过一侧上的声学装置602、另一侧上的声学保护罩612、以及围绕外周的第一粘合剂层614进行限定。声腔602还可以与包括声学装置602的外壳618中的端口620对齐。声学保护罩612在一些情况下可以与声学装置602和外壳618连接,例如,通过声学保护罩和外壳之间的第二粘合剂层616进行上述连接。第一粘合剂层614和第二粘合剂层616以及声学保护罩612形成层状组件610,其可以是耐水的(water resistant)和/或防水的(waterproof),能够防止水从外部空间624进入外壳618的内部空间622和/或进入声腔626。在某些实施方式中,根据本文所公开的声振保护罩,声学保护罩612可以是任何合适的声振保护罩。

在下文中,描述了其它示例以便于理解本公开:

E1:声学反应性复合材料,其包括:膨胀型聚四氟乙烯(ePTFE)膜,所述ePTFE膜包含高度原纤化的微结构;以及弹性体,所述弹性体完全浸渍在ePTFE膜中以形成复合材料;其中,所述复合材料用弹性体完全浸渍,所述复合材料具有在1kHz下低于7dB的声损失,并且所述复合材料具有至少20PSI的入水压力(WEP)。

E2:如上述或后续示例中任一项所述的声学反应性复合材料,其中,ePTFE膜包括基本上仅有在交叉点融合的原纤维的微结构。

E3.如上述或后续示例中任一项所述的声学反应性复合材料,其中,所述复合材料具有至少70PSI的如水压力。

E4.如上述或后续示例中任一项所述的声学反应性复合材料,其中,复合材料具有在1kHz下低于2dB的声损失。

E5.如上述或后续示例中任一项所述的声学反应性复合材料,其中,复合材料的共振峰值大于约15kHz。

E6.如上述或后续示例中任一项所述的声学反应性复合材料,其中,复合材料的共振峰值为至少16kHz。

E7.如上述或后续示例中任一项所述的声学反应性复合材料,其中,复合材料的共振峰值为至少19.5kHz。

E8.如上述或后续示例中任一项所述的声学反应性复合材料,其中,ePTFE膜的单位面积质量为约0.5g/m2至约6.0g/m2

E9.如上述或后续示例中任一项所述的声学反应性复合材料,其中,复合材料是非多孔的。

E10.如上述或后续示例中任一项所述的声学反应性复合材料,其中,弹性体包含至少20重量%的复合材料。

E11.如上述或后续示例中任一项所述的声学反应性复合材料,其中,弹性体包含至少30重量%的复合材料。

E12.如上述或后续示例中任一项所述的声学反应性复合材料,其中,弹性体包含至少40重量%的复合材料。

E13.如上述或后续示例中任一项所述的声学反应性复合材料,其中,弹性体包含约20重量%至90重量%的复合材料。

E14.如上述或后续示例中任一项所述的声学反应性复合材料,其中,弹性体包含约40重量%至60重量%的复合材料。

E15.如上述或后续示例中任一项所述的声学反应性复合材料,其中,所述ePTFE膜基本没有节点。

E16.如上述或后续示例中任一项所述的声学反应性复合材料,其中,所述ePTFE膜的厚度小于约5微米。

E17.如上述或后续示例中任一项所述的声学反应性复合材料,其中,所述ePTFE膜的基质拉伸强度在纵向方向上为约655Mpa,并且在横向方向上为约310MPa。

E18.如上述或后续示例中任一项所述的声学反应性复合材料,其中,所述复合材料具有第一侧和第二侧,并且进一步包括在所述第一侧和第二侧中至少一侧上的一层弹性体层。

E19.如上述或后续示例中任一项所述的声学反应性复合材料,其中,弹性体层为约2微米厚。

E20.如上述或后续示例中任一项所述的声学反应性复合材料,其中,所述复合材料具有第一侧和第二侧,并且进一步包括涂覆在所述第一侧和第二侧中一侧上的一层弹性体层。

E21.如上述或后续示例中任一项所述的声学反应性复合材料,其中,ePTFE膜为小于约25微米厚。

E22.用于保护声学装置的层状组件,所述层状组件包括:膨胀型聚四氟乙烯(ePTFE)膜,所述ePTFE膜包括高度原纤化微结构,所述ePTFE膜具有第一侧和第二侧;以及粘合剂层,所述粘合剂层与声学膜第一侧上的ePTFE膜连接并且限定了声腔。

E23.如上述或后续示例中任一项所述的层状组件,其中,所述粘合剂层是第一粘合剂层,并且进一步包括在声学膜第二侧上的第二粘合剂层,所述第二粘合剂层限定了与声腔对齐的声道,其中,所述第一粘合剂层构造为将层状组件与声学装置连接,并且所述第二粘合剂层构造为将层状组件与包括声学装置的外壳连接。

E24.如上述或后续示例中任一项所述的层状组件,其中,复合材料层的声共振峰值大于约16kHz。

E25.如上述或后续示例中任一项所述的层状组件,其中,复合材料层具有至少70PSI的入水压力。

E26.如上述或后续示例中任一项所述的层状组件,其中,复合材料层具有在1kHz下低于2dB的声损失。

E27.如上述或后续示例中任一项所述的层状组件,其中,所述复合材料层进一步包括在所述第一侧和第二侧中至少一侧上的弹性体涂层。

E28.一种声学装置,其包括:变换器;靠近变换器的声腔;以及跨越声学变换器和外部环境之间的声腔的声学反应性复合材料层,其中声学反应性复合材料层包括膨胀型聚四氟乙烯(ePTFE)膜,所述ePTFE膜包含高度原纤化的微结构;以及弹性体,所述弹性体完全浸渍在ePTFE膜中以形成复合材料,其中,所述复合材料层具有在1kHz下低于7dB的声损失,并且所述复合材料层具有至少20PSI的入水压力(WEP)。

E29.如上述或后续示例中任一项所述的声学装置,其中,所述声学装置是麦克风。

E30.如上述或后续示例中任一项所述的声学装置,其中,所述声学装置是扬声器。

E31.如上述或后续示例中任一项所述的声学装置,其中,复合材料层的声学共振峰值大于约16kHz。

E32.如上述或后续示例中任一项所述的声学装置,其中,复合材料层具有至少70PSI的入水压力。

E33.如上述或后续示例中任一项所述的声学装置,其中,复合材料层具有在1kHz下低于2dB的声损失。

E34.如上述或后续示例中任一项所述的声学装置,其中,所述复合材料层进一步包括在所述第一侧和第二侧中至少一侧上的弹性体涂层。

E35.如上述或后续示例中任一项所述的声学装置,所述声学装置进一步包括连接复合材料层与声学装置的粘合剂层。

E36.如上述或后续示例中任一项所述的声学装置,其中,将复合材料层与声学装置连接的粘合剂层是位于复合材料层第一侧上的第一粘合剂层,并且其进一步包括:包含声学装置的外壳,所述外壳具有与声腔对齐的声道;以及连接复合材料层与外壳的第二粘合剂层。

上述或在附图中描绘的部件的不同布置以及未显示或描述的部件和步骤是可能的。类似地,一些特征和子组合是有用的,并且可以在不参考其他特征和子组合的情况下使用。已经为了说明而非限制的目的描述了本发明的实施方式,并且替代实施方式对于本专利的读者将变得显而易见。因此,本发明不限于上述或者附图所示的实施方式,并且在不偏离以下的权利要求范围的情况下能够进行各种实施方式以及修改。

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