专利名称：静电式扬声器的制作方法
技术领域：
本发明有关于一种静电式扬声器(Electrostatic speaker)的结构，并且特别有关于一种平面静电式扬声器中支撑体(Supporting Members)结构的设计。
背景技术：
人类最直接的两种感官是视觉与听觉，因此长久以来，科学家们极力地发展与 此相关的元件或系统技术。目前电声扬声器分类主要分为直接辐射型与间接辐射型， 而以驱动方式分类则可大致分为动圈式(Dynamic)、压电式(Piezoelectric)及静电式 (Electrostatic)扬声器。静电式扬声器目前的市场主要为顶级(Hi-end)的耳机和喇叭，传统静电式扬声 器的作用原理是将两片具有开孔且固定的电极(Electrode)挟持导电的振膜(Vibrating fi lm)形成电容，通过供给振膜直流偏压以及给予两个电极音频的交流电压，利用正负电场 所发生的静电力(Electrostatic force)，带动振膜振动并将声音辐射出去。传统静电式扬 声器的偏压需达上百至上千伏特，因此需要外接高单价及庞大体积的放大器，是其无法普 及的原因。如果静电式扬声器搭配可驻电的振膜的结构设计，虽可降低音频的交流电压但 振膜的静电效应会让电极与振膜间互相接触造成无法出声。关于静电式扬声器，美国第3，894，199号专利是公开一种电声转换器 (Electroacoustic transducer)如图1所示，其为美国第3,894，199号专利的电声转换 器示意图。绝缘材料制作的边框支撑体(Frame holding member) 110支持住两固定的电 极120。振膜130位于两电极120之间。电极120中有许多开孔121使声音幅射通过。极 化电压(Polarization voltage) 141通过振膜130、每一电极120，与穿过升压器(St印-up transformer) 140与电阻142。升压器140的主线圈(Primary winding) 143连接信号源 150。两电极120的电位由信号源150的交流信号供给。两电极120的电位相反，即一正一 负。由前案所述，其边框支撑体110仅用于支持固定电极120，并且振膜130与电极间 120并无支撑体，无法避免电极120与振膜130误触，可知目前平面式扬声器对于支撑体并 无相关的设计描述。此外，传统的静电式扬声器产生较低频率(< 500Hz)的声音的能力较不足，故市 售的静电式扬声器多会搭配低频响应的动圈式扬声器。由此可知，改善传统的静电式扬声 器低频声压不足，为本领域的重要课题。
发明内容
本发明提供一种平面式扬声器结构。在一个实施例中，本发明所提出的扬声器结 构，包括振膜、电极、边框支撑体与至少一组支撑体。上述电极具有多个开孔，而边框支撑体 构成该扬声器结构的外型，并用以固定振膜与电极于对应两侧。而所述每一组支撑体配置 于电极非开孔区域与振膜之间，并形成至少一个环状几何图形结构。上述振膜至少包括一驻极体层与一电极层。
而所述的支撑体配置布局方式，是根据振膜的静电效应大小决定。在一个实施例 中，可以调整支撑体的高度和/或与相邻支撑体之间的距离。在一个实施例中，所述支撑体的是采用转印方式形成于电极或振膜上。而转印方 式包括喷墨列印或网版印刷等等。另一个实施例中，所述支撑体的是采用转贴方式形成于 电极或振膜上，其中支撑体与振膜或电极粘着或是不粘着。在一个实施例中，所述支撑体是经由蚀刻方式或是光阻曝光显影 (Photolithography)方式形成于电极或振膜上。为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图， 作详细说明如下。
图1为美国第3，894，199号专利的电声转换器示意图。图2A与2B为根据本发明的一个实施例的扬声器结构剖面示意图。图3A为根据本发明的一个实施例的扬声器结构上视透视示意图。图3B为根据本发明的一个实施例的扬声器结构上视透视示意图。图4A为根据本发明的一个实施例的扬声器结构的支撑体示意图。图4B为根据本发明的一个实施例的扬声器结构的支撑体示意图。图4C为根据本发明的一个实施例的扬声器结构的支撑体示意图。图4D为根据本发明的一个实施例的扬声器结构的支撑体示意图。图4E为根据本发明的一个实施例的扬声器结构的支撑体示意图。图4F为根据本发明的一个实施例的扬声器结构的支撑体示意图。图4G为根据本发明的一个实施例的扬声器结构的支撑体示意图。图5A为根据本发明的一个实施例的扬声器结构上视透视示意图。图5B为根据本发明的一个实施例的扬声器结构上视透视示意图。图6A为具有不同排列支撑体的扬声器结构的自然频率(Fundamentalfrequency ； F0)折线图。图6B为具有不同排列支撑体的扬声器结构，在1000Hz的频率下产生的声压折线 图。主要元件符号说明120、320B:电极121、221、321A、321B 开孔130、230 振膜140:升压器141 极化电压142:电阻143 主线圈150 信号源200、300A、300B 扬声器结构
110、210、310A、310B、510A、510B 边框支撑体220、320A、520A、520B 电极232 驻极体层234:导电电极层
240、340A、340B、440A、440B、440C、440D、440E、440F、440G、δ40Α、δ40Β 支撑体
具体实施例方式本发明提供一种平面式扬声器的支撑体设计，解决电极与振膜之间因静电力而互 相接触造成无法出声的技术问题，且同时改善传统的静电式扬声器低频声压不足的技术问 题。其中，支撑体的构造简单并可搭配现有技术进行制程，适用于大量生产。而上述的电极 可为金属材质或其他可导电的材质，并可于电极上开孔使声音可通过开孔扩散。而振膜则 至少包含由驻极体材质所组成的驻极体层与导电电极。此导电电极如果是采用金属电极，则为了不影响驻极体层的张力与振动的效果， 可以是一种极薄的金属薄膜电极，厚度约为0. 3μπι。而考虑到此极薄金属薄膜电极曝露于 空气中使用，会被空气氧化形成完全绝缘体，进而影响到音源信号的输入，可于其表面制作 绝缘层在金属薄膜电极上，但须预留音源信号输入端的位置。另外，此导电电极也可采用 本身为氧化导电的材料与采用具有透光导电的材料，例如铟锡氧化物(Indium tin oxide ； ΙΤ0)、铟锌氧化物(Indium zinc oxide ；IZO)与铝锌氧化物(Aluminum zinc oxide ；ΑΖ0) 等等其中之一。本发明的扬声器的支撑体，为平面扬声器的重要组成技术之一。支撑体置于电极 与振膜间，解决平面静电式扬声器结构中，振膜所具静电效应造成振膜与电极互相接触而 无法出声的现有技术的问题。此支撑体同时改善传统的静电式扬声器低频声压不足的技术 问题。此位于电极与振膜之间的支撑体，形成至少一个环状几何图形结构，且可根据振 膜的静电效应大小设计不同的排列方式，例如排列成至少一个个圆形、椭圆形、六角形、方 形、菱形、长方形、三角形或以上任意组合；这些环状几何图形结构可以为实质上同心，也就 是说这些环状几何图形结构的中心可以大致重叠。或者，这些环状几何图形结构可以为偏 心配置。而这些环状几何图形结构的排列可利用调整支撑体之间的距离或是支撑体的高度 等等，例如这些环状几何图形结构之间的距离可以相等或不相等，这些支撑体的高度可以 一致或不一致。此外，这些环状几何图形结构可以为封闭或不封闭的图形结构。而支撑体 之间的距离或是支撑体的高度的差异，是考虑扬声器结构的整体频率响应而设计，例如根 据扬声器最佳使用频率范围而调整不同的距离或是高度。本发明所提出扬声器的支撑体可以直接制作于电极上，或是直接制作于振膜上。 支撑体可以与振膜或电极粘着(Adhesion)或不粘着，或者先行制作支撑体，等完成后再将 其置入电极与振膜之间。本发明所提出支撑体，可利用转印(Transfer-print)或转贴(Decal)制作在 电极或振膜上。前述支撑体也可采用印制(Printmaking)制作，包含直接印刷(Direct printing)或直接贴合(Lamination)。而直接印刷包括网版印刷(Screenprinting)。此支 撑体也可采用光阻(Photoresist)成长或是蚀刻(Etching)来形成。
平面静电式扬声器为运用振膜材料内部的电荷特性及静电力效应的原理。当振膜 受到外部电压刺激后，造成振膜表面的变形，进而驱动振膜周围的空气以产生声音。通过静 电力公式及能量定律得知振膜受力为整体扬声器的电容值乘上内部电场大小及外部输入 声音电压信号，如果振膜受力越大，则输出声音越大。根据库伦定律(Coulomb' s law)，两 带电物体的电荷乘积正比于相互作用静电力，反比于两物的距离平方；两电荷若同为正或 负时，其物体受互斥静电力，电荷一正一负时其物体受相吸静电力。静电力公式可由(式1) 表不。 其中真空电容率ε。= 8. 85 X 10_12F/m，ε e为驻极体介电常数(Dielectric constant)，Se为驻极体厚度，Sa为空气层厚度，Vin为输入信号电压，Ve为驻极体电压，P为 振膜单位受力。因此如果在相同的距离下，静电式扬声器如能提供高驻电，则输入扬声器的 声音电压信号即可降低至数伏特到数十伏特，因此可提高平面静电式扬声器的实用性。因此，本发明提出如下的实施方式，具有开孔的电极的材质可为金属或可导电材 质。在此，金属材质所具有的开孔可利于声音扩散。在另一实施例中，在极薄的纸上电镀一 层导电的电极层，也具有相同的效果。在一个实施例中，振膜包含驻极体材料，例如介电材料(Dielectric materials)。 而此介电材料经电化(Electrized)处理而能长期保有静电荷(Static charges)，而经充 电后在材料内部可产生驻电效果，因此称为驻极体振膜。此驻极体振膜可为单层或多层介 电材料所制成的振膜，而所述介电材料可为例如氟化乙烯丙烯共聚物(FEP ；fluorinated ethylenepropylene)、聚四氟乙烯(PTFE ；polytetraf luoethylene)、聚氟亚乙烯(PVDF ； polyvinylidene fluride)、部份含氟高分子聚合物(Fluorine polymer)及其他适当材料 等等。由于驻极体振膜为介电材料经过电化处理后，所以能长期保有静电荷及压电性的振 膜，并可使内部包含纳微米开孔以增加透光度及压电特性，经电晕充电后在材料内部产生 双极性电荷(Dipolar charges)而产生驻电效果。而支撑体的材料采用透明且可挠曲的材质，例如塑胶材料等等，以增加支撑体运 用设计的多样化。以下根据扬声器的支撑体，以具体实施例说明。请参考图2A与2B，其为根据本发明一个实施例的扬声器结构剖面示意图。扬声器 结构200包括形成扬声器外型的边框支撑体210、具有多个开孔221的电极220、振膜230 与介于其间的至少一组支撑体240。此具有开孔的电极220与振膜230分别固定于边框支 撑体210，并面与面相对应，且经由连接于其两端的边框支撑体210支撑而不互相接触。而 边框支撑体210高度可以相当于支撑体240的高度或是更高，可根据扬声器结构设计的要 求而决定。振膜230包括驻极体层232与导电电极层234。为避免振膜230所产生的静电效应造成振膜230与电极220互相接触，在电极220 与振膜230间置入至少一个支撑体240，但其位于电极220的非开孔区域。这些支撑体240 可制作于电极220上或者制作于振膜230上。在另一个实施例中，这些支撑体240也可以 与振膜230或电极220粘着(Adhesion)或不粘着，或者先行制作支撑体240后再置入电极220与振膜230间。 支撑体240的分布则考虑振膜上驻电量的多寡或静电效应的大小来采取最佳的 分布，或是考虑因支撑体配置距离不同，采取不同支撑体高度的设计，前述设计目的都是为 了使电极220与振膜230间，除了与支撑体240外，无接触的可能，如图2B所示。以前述的实施例的支撑体为例，支撑体240可采用转印或转贴的方式制作于电极 220或振膜230上。在另一个实施例中，也可采用印制的技术制作支撑体240，包含直接印 刷、网印或是直接贴合的方式。前述支撑体240也可采用光阻(Photoresist)成长的方式， 或是采用蚀刻(Etching)方式来形成。请参照图3A，其为根据本发明的一个实施例的扬声器结构上视透视示意图。扬声 器结构300A中，包括形成扬声器外型的边框支撑体310A、电极320A与振膜(未示出)。为 方便说明，此扬声器结构300A以方形为例，但其并不限于方形，任何形状的扬声器结构的 设计都可适用于此实施例。在此实施例中，电极320A具有多个开孔321A ；而电极320的非 开孔区域，则可配置至少一组支撑体340A。通过此支撑体340A，可避免电极320A与振膜之 间因静电力而互相接触造成无法出声的问题。请参照图3B，其为根据本发明的一个实施例的扬声器结构上视透视示意图。扬声 器结构300B中，包括形成扬声器外型的边框支撑体310B、电极320B与振膜(未示出)。为 方便说明，此扬声器结构300A以圆形为例，但其并不限于圆形，任何形状的扬声器结构的 设计都可适用于此实施例；而此扬声器结构中，电极320B具有多个开孔321B ；电极320B的 非开孔区域，配置至少一组支撑体340B，该一组支撑体340B形成至少一个圆形；这些圆形 可以为实质上同心，也就是说这些圆形的中心可以大致重叠。或者，这些圆形可以为偏心配 置。通过这些支撑体340B，可避免电极320B与振膜之间因静电力因素而互相接触造成无法 出声的问题。接着，请参照图4A，其为根据本发明的一个实施例的扬声器结构的支撑体示意图。 依照此实施例，扬声器结构的支撑体形成一个环状几何图形结构；支撑体440A形成圆形结 构，且此圆形结构为封闭。或者，参照图4B，其为根据本发明的一个实施例的扬声器结构的 支撑体示意图，支撑体440B形成圆形结构，且此圆形结构为不封闭并构成实质上为环状几 何图形结构。请参照图4C，其为根据本发明的一个实施例的扬声器结构的支撑体示意图。扬声 器结构的支撑体形成至少一个环状几何图形结构；这些环状几何图形结构可以为实质上同 心，也就是说这些环状几何图形结构的中心可以大致重叠。或者，这些环状几何图形结构 可以为偏心配置。依照此实施例，支撑体440C形成至少一圆形结构，且这些圆形结构为封 闭。或者，参照图4D，其为根据本发明的一个实施例的扬声器结构之支撑体示意图，支撑体 440D形成至少一椭圆形结构；这些椭圆形结构可以为实质上同心，也就是说这些椭圆形结 构的中心可以大致重叠。或者，这些椭圆形可以为偏心配置。另外，请参照4E，其为根据本 发明的一个实施例的扬声器结构的支撑体示意图；依照此实施例，支撑体440E形成至少一 圆形结构，且这些圆形结构各为封闭或不封闭，其中这些圆形结构可以为实质上同心，也就 是说这些圆形结构的中心可以大致重叠。请注意，依本实施例精神可包括这些环状几何图 形结构以偏心方式配置。或者，除了形成至少一个环状几何图形结构，支撑体也可再额外形成一一字形或一十字形结构，如图4F与4G分别所示，其分别为根据本发明的一个实施例的扬声器结构的 多个支撑体示意图。参照图4F与4G，支撑体440F与440G可形成至少一个环状几何图形结 构与额外的一字形与十字形结构。以上实施例仅用以说明，而非用以限定本发明；支撑体形成的环状几何图形结构 可为六角形结构、方形结构、菱形结构、长方形结构、三角形结构、以上任意组合或任何几何 图形结构。
为加强扬声器的频率响应效果，这些支撑体形成的环状几何图形结构之间，其之 间的距离可以任意调整，以达到最好的出声效果；这些环状几何图形结构之间的距离可以 相等或不相等。而这些支撑体的高度也可以任意调整，以达到最好的出声效果；这些支撑体 的高度可以一致或不一致。此外，这些环状几何图形结构可为封闭或不封闭。请参照图5A，其为根据本发明的一个实施例的扬声器结构上视透视示意图。扬声 器结构500A中，包括形成扬声器外型的边框支撑体510A、电极520A与振膜(未示出)。在 此实施例中，电极520A具有多个开孔521A ；而电极520A的非开孔区域，则可配置至少一组 支撑体540A，其中每一组支撑体各形成至少一个环状几何图形结构；这些环状几何图形结 构可以为实质上同心，也就是说这些环状几何图形结构的中心可以大致重叠。或者，这些环 状几何图形结构可以为偏心配置。通过这些支撑体540A，可避免电极520A与振膜之间因静 电力因素而互相接触造成无法出声的问题。请参照图5B，其为根据本发明的一个实施例的扬声器结构上视透视示意图。扬声 器结构500B中，包括形成扬声器外型的边框支撑体510B、至少一个电极520B与振膜(未示 出)。在此实施例中，这些电极520B具有多个开孔521B ；而这些电极520B的非开孔区域， 则可配置至少一组支撑体540B，其中每一组支撑体各形成至少一个环状几何图形结构；这 些环状几何图形结构可以为实质上同心，也就是说这些环状几何图形结构的中心可以大致 重叠。或者，这些环状几何图形结构可以为偏心配置。通过这些支撑体540B，可避免这些电 极520B与振膜之间因静电力因素而互相接触造成无法出声的问题。接着，请参照图6A，其为具有不同排列支撑体的扬声器结构的自然频率(First Nature frequency ;FQ)折线图。当方形的扬声器结构的支撑体形成方形栅状的图形结构 时，其自然频率为525Hz ；当圆形的扬声器结构的支撑体形成两个同心圆结构与一十字形 结构时，其自然频率为525Hz ；当圆形的扬声器结构的支撑体形成两个同心圆结构与一一 字形结构时，其自然频率为475Hz ；当圆形的扬声器结构的支撑体只形成两个同心圆结构 时，其自然频率为450Hz。另外，请参照图6B，其为具有不同排列支撑体的扬声器结构，在1000Hz的频率 下产生的声压折线图。当方形的扬声器结构的支撑体形成方形栅状的图形结构时，其在 IOOOHz的频率下产生的声压为79. 5dB ；当圆形的扬声器结构的支撑体形成两个同心圆结 构与一十字形结构时，其在1000Hz的频率下产生的声压为77. 5dB ；当圆形的扬声器结构的 支撑体形成两个同心圆结构与一一字形时，其在1000Hz的频率下产生的声压为77. 5dB ；当 圆结构形的扬声器结构的支撑体只形成两个同心圆结构时，其在1000Hz的频率下产生的 声压为80. 5dB。综上所述，本发明可解决金属电极与驻极体振膜之间因静电力而互相接触造成无 法出声的问题，且同时改善传统的静电式扬声器低频声压不足的技术问题。支撑体构造简单，并可搭配现有技术进行制造，实适用于大量生产，能提升平面静电式扬声器的实用性。 本发明搭配可挠曲材料的选择，可突破现有固定式的扬声器结构，完成具备软性电子所需 特色的声音零组件，并可预期是平面扬声器的重要结构组成技术之一。
虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术 领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作一些更动与润饰，因此本发 明的保护范围以权利要求所限定的为准。
权利要求
一种扬声器结构，包括一振膜，其中所述振膜至少包括一驻极体层与一导电电极层；一电极，具有多个开孔；一边框支撑体，用以固定所述振膜与所述电极于对应两侧；以及至少一组支撑体，其中每一组支撑体配置于所述电极的非开孔区域与所述振膜之间，并形成至少一环状几何图形结构。
2.如权利要求1所述的扬声器结构，其中所述支撑体还包括在所述环状几何图形结构 内形成一一字形结构或一十字形结构。
3.如权利要求1所述的扬声器结构，其中所述环状几何图形结构的排列方式为根据所 述振膜的静电效应大小决定。
4.如权利要求1所述的扬声器结构，其中所述环状几何图形结构为圆形、六角形、椭圆 形、方形、菱形、长方形、三角形或以上任意组合。
5.如权利要求1所述的扬声器结构，其中所述环状几何图形结构之间的距离相等或不 相等。
6.如权利要求1所述的扬声器结构，其中所述环状几何图形结构分别为封闭图形或不 封闭的图形结构。
7.如权利要求1所述的扬声器结构，其中所述支撑体的高度一致或不一致。
8.如权利要求1所述的扬声器结构，其中所述环状几何图形结构为实质上同心。
9.如权利要求1所述的扬声器结构，其中所述支撑体的是采用转印方式形成在所述电 极或所述振膜上。
10.如权利要求9所述的扬声器结构，其中所述转印方式包括喷墨列印或网版印刷。
11.如权利要求1所述的扬声器结构，其中所述支撑体的是采用转贴方式形成在所述 电极或所述振膜上。
12.如权利要求11所述的扬声器结构，其中所述转贴方式为所述支撑体与所述振膜或 与所述电极粘着或不粘着。
13.如权利要求1所述的扬声器结构，其中所述支撑体的是经由蚀刻方式形成在所述 电极或所述振膜上。
14.如权利要求1所述的扬声器结构，其中所述支撑体的是经由光阻曝光显影方式形 成在所述电极或所述振膜上。
15.如权利要求1所述的扬声器结构，其中所述振膜、所述电极、所述边框支撑体与所 述支撑体的材质为透明且可挠曲的材质。
16.如权利要求1所述的扬声器结构，其中所述电极的材质为金属材质。
17.如权利要求1所述的扬声器结构，其中所述驻极体层的材料选自氟化 乙烯丙烯共聚物(FEP ；fluorinated ethylen印ropylene)、聚四氟乙烯(PTFE ； polytetrafluoethylene)、聚氟亚乙烯(PVDF ;polyvinylidene fluride)与部份含氟高分 子聚合物(Fluorine polymer)其中一种或其组合。
18.如权利要求1所述的扬声器结构，其中所述环状几何图形结构为偏心配置。
全文摘要
一种扬声器结构至少包括振膜、开孔电极、边框支撑体以及多个支撑体。所述边框支撑体用以构成扬声器结构之外型结构，并且用以固定振膜与电极于对应两侧。而所述支撑体布置在电极非开孔区域与该振膜之间，并形成至少一个环状几何图形结构，以便防止振膜与电极接触。
文档编号H04R19/01GK101867859SQ20091013500
公开日2010年10月20日 申请日期2009年4月15日 优先权日2009年4月15日
发明者刘昌和, 曾国华, 陈冠位, 陈明道 申请人:财团法人工业技术研究院