专利名称：高性能紧凑型扬声器的制作方法
相关申请案的交叉参考本申请涉及2000年6月27日提交的美国第60/214,689号临时申请案，并根据美国法典第35章第119条(e)之规定要求优先权。此临时申请案以完全引用的方式并入本文。发明背景本发明涉及一种音频扬声器，并特别涉及一种紧凑型扩音器。近年来，关于紧凑型扬声器申请案的数量大幅度的提高。这部分归功于大量新型消费性电子产品及个人音乐电子播放装置的问世，它们需要并促进了附属扬声器的使用以输出最大音量的高品质音响效果。向小型的书架式或台式系统发展的趋势也促进了紧凑型扬声器的使用，而许多年来已成为基准的类似箱式工作的大型扬声器这样的音效产品，则逐渐被淘汰。
对于许多这类申请案来说，轻质和便携是至关重要的。对一些来说，价格则是关键因素。对另一些来说，则期望通过箱式工作的或其他外壳来优化扬声器性能。在这种情况下，需要仔细考虑扬声器和外壳的结构与声学特性。但是，小型扬声器引起了许多技术上的问题，尤其是在波谱的低频端，因为小薄膜在低频发射时效率不高，而且具有较高的固有谐振。将采用一整套的补偿方法来使小尺寸系统获得期望的性能，例如使用高驱动电流、更长的投掷线圈结构(throw coilconstruction)、功率更大的磁间隙、改进的薄膜材料以及新型的机柜结构。
因此，期望能提供一种改良的紧凑型扬声器。
还期望提供一种外壳，其可以使紧凑型扬声器的性能进一步提高。
同时还期望提供这种扬声器和外壳的设计，其中外壳自身可作为一个单元适合被放置在机柜、墙面或其他位置，并且其不需要大量声学工程或独立设计考虑，就可以与支架结构相适配。
发明内容
本发明之扬声器可以实现一个或多个以及其他所期望的目标，在扬声器中第一和第二环形磁铁被集中安置在一起，并且由一端的分路器结构和另一端的极限定结构连接，从而将磁通集中在圆柱形间隙中。和磁铁一样，分路器和极片结构也为环形，并且相互层叠，从而使组合后的磁性部件具有穿过中央的开孔。扬声器的音圈浮于圆柱形磁隙中，并且其驱动导线穿过中央开孔与扬声器后部连接。在不同的实施例中，扬声器薄膜通过中央开孔与扬声器之后的已调谐的机壳相连，这进一步的控制了整个音响效果。
根据本发明的一个方面，两磁铁间的圆柱形磁隙将轴向极化并且极性相反的环形磁铁分离。位于每个磁铁顶面有两个丁字形的极片，它们确定了主要与磁隙连接的具有高磁通密度的浅音圈间隙。此结构可用于使用两个环形钕磁铁的部件，其具有25毫米和36毫米的外径，以获得每英寸音圈间隙超过1.4特斯拉(Tesla)的总磁通密度，以及低于2盎司(ounce)的总扬声器重量并且在间隙中的总能量为100毫瓦(milliwatt)秒。这样减少了昂贵的钕的质量，同时有效的将有效通量聚集在间隙中并提高了扬声器的总体性能。特别的是，磁铁在非常浅的间隙中获得高能量，这使得可以用小的振幅有力的驱动薄膜。中央的通孔在扬声器部件以及随后的扬声器安装过程中起引导装卸的作用。还可以利用开孔在相对较浅的容器内获得阻尼或共振耦合的有效级。此容器可以是一个安装在齐平的或较低的面板或壁上的有门的机壳。
下面将结合附图介绍本发明之说明性的实施例及相关范例。
图1说明了根据本发明之扬声器音圈的高性能磁铁结构；图1A说明了本发明的另一实施例；图2说明了图1A中磁结构的场矢量；图3为图1A中结构间隙的磁通密度图；图4A和4B分别为图1A中结构的磁通路径和场线；
图5-8分别与图1A、2、3和4A相对应，说明了第一比较构造之固盘磁铁结构的特点；图9-12A、12B分别与图1A、2、3、4A和4B相对应，说明了第二比较构造之固盘磁铁结构的特点；以及图13一16A、16B分别与图1A、2、3、4A和4B相对应，说明了第三比较构造之固盘磁铁结构的特点。
发明详述本发明寻求提供一种改良的高效扬声器，其磁性子结构采用廉价的金属零件。扬声器中通常采用永久磁铁，在较小的高性能扬声器中，最好采用如钕磁铁这样的稀土磁铁。磁性子结构还包括分路器和极片结构，以将磁场集中在高磁通间隙中，在此间隙中，附加于扬声器薄膜之上的圆柱形音圈在外加驱动电流信号的作用下运动。
在此扬声器的设计过程中，可能从现有设计开始，根据被视为最重要的一个参数，如磁通、重量、物理深度或价格来寻求新型扬声器磁性能的最优化设计。尽管此方法很直接，但是没有有效提高并且可能降低未被优化的其他参数的性能。本发明提供了一种创新的构造，可以同时提高若干个参数的性能以实现一种非常紧凑的高效扬声器。
在此引用了申请人的早期专利及专利申请案，具体如下美国第5,802191号专利申请案，美国申请序号09/100,411，美国申请序号09/439,416，相应的国际专利申请案PCT/US99/27011，其美国申请序号09/639,416以及相应的国际专利申请案PCT/US00/22119。上述专利及专利申请案以完全引用的方式并入本文。
图1表示了本发明扬声器10的一个具体实施例。详细的显示出了其磁铁结构20，以及薄膜D和音圈VC的简图。例如，音圈VC可以由铜或其他导体在圆柱形线轴(如用聚酰亚胺(Kapton)薄片成形)上缠绕而成，音圈VC浮于磁隙G之中，磁铁结构20将磁通集中于磁隙G中。所示的薄膜D为跨越圆柱形音圈VC的平板。这种薄膜的外边缘通常悬挂挠性橡胶或聚合物带，以形成框架(图中未示)。但是，在其他实施例中，可以采用跨越音圈直径的凸状或凹形薄膜，或采用主要延伸到音圈圆周外部的平板或锥形薄膜，以便在一个更大的框架中安装。在这种情况下，将一个柔性的但在平面方向具有刚性的环形带附加于音圈或薄膜上，以保持音圈置于磁隙G的中心。通常在圆锥的外边缘，另一个柔性带把薄膜附加于扬声器框架上。
如图1所示，扬声器部件10的磁铁结构20包括第一和第二环形磁铁1、2，两磁铁轴向放置并且由位于磁铁一侧的分路器构件3连接。在图示实施例中，分路器构件3不是平板或薄板而是成形部件，并向其内径和外径边缘方向逐渐变薄。这形成了斜面(或为圆形)3a和3b，斜面延伸到远离中心部分的最薄区域。在磁铁1、2的另一侧分别为成形极片4、5。如图1所示，内、外圆柱形磁铁1、2被紧密放置在一起，仅在内磁铁的外圆周和外磁铁的内壁间存在很小的间隙。极片4、5各自具有一个环形圈，并且极片位于对应磁铁的顶部，其相对面之间的间隔形成了音圈间隙G。在图示实施例中，间隙G小于下面的两磁铁间的间隙，并与其同心。按照比例，在本发明的一实施例中，音圈C的直径约1英寸，内磁铁1具有24.5毫米的外径以及8毫米的中央开孔。磁铁2的内径和磁铁1间隙1.5毫米，其外直径为36毫米。极片4、5减小了磁隙，使得间隙G只有1毫米。类似于永久磁铁3，极片4、5在接近间隙G的地方较厚，并向其内径和外径边缘方向逐渐变薄或变细。
图1A表示了根据本发明之扬声器原型的磁铁结构，显示了扬声器磁铁一侧沿径向剖开的面。在此实施例中，外极片5拥有突出的圆台5a。薄膜的边缘(如图1所示的扁平薄膜)可以附于圆台5a上。极片由合适的材料形成，比如铁或钢，并且其形状能更好的利用磁通，将磁通聚集在音圈间隙中，极片还能提供离隙或间隙使薄膜不会发出嗡嗡声。
图3画出了间隙中得到的磁通密度。如其所示，两个同心的环行磁铁组成的结构通过2毫米乘1毫米的间隙产生了1.4特斯拉(Tesla)的磁通密度；总的间隙能量为100毫瓦(milliwatt)秒。
图2表示了图1A中磁铁结构的矢量。图中右手边插入的实线表示了金属/磁铁部分，其中数字与图1中数字对应。磁铁沿环行轴被N-S极化，外环行磁铁2和内磁铁极化方向相反。在此实施例中，外极片5在其外圆周具有延伸短线或延伸带5a，其影响了外场线，这在随后的图中有详细表示。相反极化的环行磁铁上的极片和分路器结构可以更有效的使用磁性物质将高磁通密度集中在间隙G中。
再如图1中所示，内磁铁1和永久磁铁3以及内极片4均为环行件，它们在磁铁部件的中央确定了一个物理开孔C。扬声器输入导线a，b穿过此中央开孔并和音圈VC连接。应注意到输入驱动线路的表示仅为示意画法。一根导线穿过开孔，第二根与扬声器的金属结构相连以接地。此外导线a，b不必为所示的导线，也可以是其他形式，如软性电缆或微型平板印刷的导体元件，在其中可以嵌入塑料片以加固金属导体。另外，在与穿过中央开孔C的导体连接之前，驱动线路可以从音圈连接到薄膜D上的表面连接盘结构。也可以使用此技术领域的其他连接技术。
但是，驱动线路或导线最好直接穿过开孔。此构造省略了将音圈导线接入位于薄膜或结构中心支架(锥型)上的接线板或连接盘的步骤。因为此中间连接需要精细的处理扬声器内部框架，在现有技术中这是个耗时的步骤。
开孔C还使扬声器前后的空气相通。因此，当薄膜D延伸至磁铁部件的整个断面时，其性能将受到气柱刚度的影响，此气柱穿过开孔进入机壳或磁铁后的其他空间。当薄膜从音圈向其外圆周延伸且在中心不具有罩或圆盖时，此开孔可以减轻机壳刚度的影响，和/或引出机壳内部的声音。因此，磁铁开孔实现了声耦合来配合系统响应，并使机壳具有通口来减轻小机壳中气柱刚度的影响。
图4A和4B描绘了图1A中环行磁铁结构和装置间隙区域的磁通路径/场线，其分别具有连续色调和独立的线条。这说明了在有开口的磁铁部件中使用小磁铁来确定对称的磁通路径是非常有效的。
在原型实施例中，双环行结构具有8毫米的中央开孔以便空气连通和布线。内钕环具有24.5毫米的外径和8.25毫米的径向厚度，同时外钕环具有36毫米的外径和4.25毫米的径向厚度，于是两个同心磁铁间的间距为1.5毫米。两个磁铁均为3.5毫米厚，因此使用许多相当于(1.47+1.45)cc或2.97cc，重22.5克(grams)的磁性材料。钢制的内顶板和外顶板分别重5和5.77克(grams)。系统总重量为48克(grams)，可提供1.4特斯拉(Tesla)的磁通密度和100毫瓦(milliwatt)秒的总能量。比较示范例1参看图5-8，并分别和图1A、2、3和4A比较可了解这些性能特点的价值。第一比较构造的总重量不变，但采用单个的硬钕圆盘磁铁优化系统。如图所示，其能量远低于本发明之系统，固盘中央区域的磁通分布实质上没有增加间隙密度而被浪费了。间隙中的总能量为65毫瓦(milliwatt)秒，总磁通量为1.21特斯拉(Tesla)，系统总重量为49.5克(grams)，系统中的外壳层形成了实质部分。因此，在上面所讨论的参数中，只有一项改进了，即磁铁中更简单的铁芯和极片结构降低了成本。比较示范例2另一个有价值的比较为如图9所示的磁铁结构，其中使用的钕磁铁量和图1-4中系统相同。在此示范例中，磁铁为10毫米厚的高圆盘，具有24.5毫米的直径和12.55克的重量。顶板和底板与前一示范例相同，但具有更厚的分路器，使总系统重量增至48.5克。磁通量仅增加到1.32特斯拉(Tesla)，但磁铁深度增至15.5毫米，在某种程度上使结构不适合于较浅的机壳。图10-12B显示了磁通密度、磁通分布、场线模型和本示范例的整个几何结构。比较示范例3如果在采用圆盘磁铁的情况下想和图1-5中系统具有相同的间隙能量，可采用图13中所示的结构。图中的磁铁厚度为12毫米，重40克，外壳层和顶板使总系统重量超过100克。图15-16B显示了磁通密度、磁通分布、场线模型和本示范例的整个几何结构。此结构导致磁铁深度为18.5毫米，太深以至于无法在平面平板扬声器中使用。增加的磁铁重量还导致了此设计比图1所示的双环行设计更加昂贵。
因此，可以看出双环行磁铁设计在轻质的情况下具有高磁通密度。通过比较，具有相同磁通量的传统设计显示出太深、太重以及太昂贵的缺点。本发明的扬声器不仅有效的将有效磁通集中在窄的、浅的音圈间隙中，而且双环行设计的中央开孔还确定了可动音圈电源线的路径。通过省去将驱动线路与扬声器内固定音圈接头连接的精细步骤，降低了扬声器的制造成本。它同时还使部件尺寸更小(因为不需要利用圆周周围的空间来布线)并简化了机壳的安装方法。从钕中提取的能量具有很高的效率，从而提高了线性驱动电机的声学效率。如上所述，有孔的磁铁还可以降低扬声器机壳刚度的影响，或使外部调谐机壳与空气连通，以减弱或调谐组合扬声器/机壳系统中的响应。
所属技术领域的技术人员可以了解在此公开的发明和所述的实施例以及其进一步的变化和改进，并且改进或者变化均处于本发明之权利要求或其等同物范围之内。
权利要求
1.一种扬声器的磁铁部件，此部件包括同轴安置的第一和第二环形磁铁，并在此间形成了一个径向间隙，所述第一和第二磁铁被轴向极化；一个分路器跨越所述第一和第二磁铁的一侧并将其连接；一个第一极片，其具有一个第一工作面，所述第一极片置于第一磁铁之；以及一个第二极片，其具有一个第二工作面，所述第二极片置于第二磁铁之上；所述部件第一和第二工作面间确定了一个音圈间隙，使得磁通被集中在所述音圈间隙中，并且还提供了穿过所述部件的中央开孔。
2.如权利要求1所述的磁铁部件，其中所述第一和第二磁铁为稀土磁铁。
3.如权利要求1所述的磁铁部件，其中所述第一和第二磁铁为钕磁铁。
4.一种扬声器包括一个薄膜；一个与薄膜相连的音圈；以及一个磁铁部件，其确定了磁通间隙，其中音圈置于磁通间隙中，所述磁铁部件包括一对同心配置的环形磁铁，一个分路器，其在所述磁铁的一侧将磁铁相互连接，以及位于所述磁铁的另一侧的一对极片，以便有效的将磁通集中在由极片的相对工作面形成的音圈间隙中。
5.如权利要求4所述的扬声器，其中音圈的电源导线从磁铁部件的中央穿过。
6.如权利要求4所述的扬声器，其中磁铁部件具有中央开孔，以实现空气与扬声器后部空间的连通。
7.如权利要求6所述的扬声器，其还包括一个机壳，其中所述中央开孔与机壳相连。
8.一种制造扬声器部件的方法，此方法包括以下步骤提供一个磁铁部件，其具有穿过部件的中央开孔以及一个磁隙；将音圈置于磁铁部件第一侧面的间隙中；以及使音圈驱动线路穿过开孔到达磁铁部件的第二侧面。
全文摘要
一种扬声器，其具有同轴安置的第一和第二环形磁铁(1，2)，磁铁由一端的分路器(3)和另一端的极限定结构(4，5)连接，从而将磁通集中在圆柱形音圈间隙(G)中。分路器和极片结构相互层叠，从而使组合后的磁性部件具有穿过中央的开孔(C)。音圈(VC)浮于圆柱形磁隙中，并且其驱动导线穿过开孔(C)到达磁铁的另一端。当和机壳同时使用时，扬声器薄膜(D)通过中央开孔与延伸到扬声器之后的已调谐的机壳相连，或者开孔也作为机壳的一部分，这进一步的控制了整个音响效果。位于磁铁上的两个成形极片确定了具有高磁通密度的浅音圈间隙，磁场被有效的集中在此间隙内。
文档编号H04R9/06GK1443433SQ01811725
公开日2003年9月17日 申请日期2001年6月27日 优先权日2000年6月27日
发明者G·A·格仑瑟 申请人:G·A·格仑瑟