换能器系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及信号生成系统。具体来说，本发明在声换能器(transducer)系统领域有用。
【背景技术】
[0002]声信号典型地通过移动造成压力振动的隔膜来产生，该压力振动导致声波传播。扬声器和扬声器系统通常被集成到各种电子装置中，并且可以按不同构造来构建，以生成音频频带频率范围的声波。
[0003]某些类型的扬声器部件(声换能器)利用压电材料，响应于施加在该材料上的电场来生成机械移动。许多压电材料可以按与声频(和其它频率范围)相对应的频率提供机械移动，并且可以被用于生成音频频带和/或超声波范围的声信号。
[0004]US 6427017公开了一种具有透明压电部件和透明电极的压电隔膜。还公开了一种便携式电子装置，其具有用于显示图像的显示装置，和具有透明压电部件和透明电极的移动扬声器。在该便携式电子装置中，该压电扬声器设置在显示装置的前面。
[0005]US 2011/033074提供了一种适于设置在显示板上的透明扬声器。该透明扬声器包透明隔膜、透明电极板以及间隔体。每一个透明电极板都具有多个开孔。该显示板包括多个像素。该像素发射光学信号。光学信号的莫尔(Moire)空间周期在该光学信号穿过透明扬声器之后小于600 μπι。当该透明扬声器设置在显示板上时，用户能够透过透明扬声器来观看显示板上的图像，而不受波纹干扰。
[0006]US 2011/261021描述了包括大致透明的复合压电单元的触觉装置，其被配置成，测量该单元的表面变形，并且提供触觉反馈效果，作为变形的结果。更具体地说，US2011/261021公开了一种触觉装置，其包括:基板；和覆盖该基板的大致透明的复合压电单元。该压电单元包括:传感器压电层，其被配置成，在传感器压电层变形时生成第一信号；和致动器压电层，该致动器压电层被配置成，当接收到基于第一信号的第二信号时提供触觉效果。
【发明内容】
[0007]本领域需要一种新颖的换能器系统，其能够集成到电子装置和最小化使用该装置的空置外表面的其它装置。现今许多电子装置(例如，手持式装置)的前外表面在很大程度上被显示器占用。因此，用于在这种装置中容纳声换能器的空间/表面积不足，而且在许多情况下，声换能器位于该装置的背侧上，当该装置背面朝下放置时，其可以导致低质量(模糊)的声音。而且，由于这种装置中的尺寸限制，因而，与更大尺度的换能器相比，这种装置的设计者通常对小的声换能器妥协，其在许多情况下与劣化的声质量关联。本发明提供了一种平坦、透明且连续的换能器系统(面板)，其可以集成/定位在电子装置的显示器上，以生成/或感测声场和压力场。
[0008]本发明的换能器系统被设置成，生成一个或更多个频率范围的声信号，并且还可以使能够针对听众位置实现可控声音生成。而且，本发明的换能器系统还能够生成机械振动，和/或还可以被利用为用于感测施加至该换能器系统的表面的外部压力变化(声/触摸)的输入系统。
[0009]本发明的换能器系统通常被设计为面板(例如，平坦和/或大致薄板)，并且包括沿该面板的表面按预定几何结构设置的多个可单独操作的换能器。该换能器系统的这种构造使能够将换能器系统集成到其它装置(例如，电子装置)中，以使该换能器系统可以位于该装置的外表面上(或者集成到其中)。另外，本发明的换能器系统针对可见光可以光学透明，由此使能够将该换能器系统与电子装置的显示表面集成/集成到其上，否则，其除了作为该装置的显示表面以外，将没有可用的。为此，该透明换能器系统可以附接至或者集成到装置中，并且位于该装置的显示表面上，同时允许透过该换能器系统看到所显示的图像。
[0010]本发明的换能器系统可以被操作以生成一个或更多个频率范围的机械振动。与扬声器系统类似的是，这些机械振动可以生成在空气中传播的压力波，并且提供声信号。由此，该换能器系统可以操作为响应于提供给其的电信号来提供声信号的扬声器系统。
[0011]为提供相对平坦且薄的形状因素，该换能器系统采用多个更小换能器的阵列/布置(例如，面板上的换能器区域)。该换能器的特征(例如，换能器的尺寸和/或其结构)可以根据要因此生成/感测的声信号的类型/波长，并且根据因此生成/接收的声束的希望宽度来配置。例如，对于指定换能器尺寸来说，与高频信号(短波长)相对地，低频声信号(长波长)将在更宽角范围中传播。
[0012]当换能器系统被操作成生成相对较高频率(例如，超声波频率)的声信号时，所述多个换能器能够生成低发散(low-divergent)声信号，即，以小于15°，或者有时小于10°，而且在某些构造中甚至小于5°的发散性传播的信号。在生成这种高频的声信号时，通过该系统使用多个单独启用的换能器使得该换能器系统能够基于特定声生成算法来操作，以通过利用该系统的不同换能器传输不同声信号，来提供由其生成的声场的选定空间分布。例如，本发明的换能器系统可以被操作用于根据在转让给本申请受让者的PCT专利申请n0.PCT/IL2013/050952中所公开的技术来生成空间定位声场。
[0013]如上所示，本发明的换能器系统包括多个可单独操作的换能器，其能够按一个或更多个频率范围生成振动。优选的是，该可单独操作的换能器被配置成，使得该换能器的振动生成远离该换能器系统在空气中传播的压力波。这些压力波可以具有一个或更多个频率范围。例如，该可单独操作的换能器可以生成音频频带频率声波，和/或生成超声波(US)频率的声波。这种US频率通常可以包括具有频率40kHz至100kHz的频率的声波。另外，该可单独操作的换能器的振动可以具有低频，并且提供可以被接触该系统表面的人感觉到的机械振动。另外，换能器可以弯曲和/或突出，以响应于提供给其的DC电压而提供圆顶状(dome-like)结构，以在该系统的表面上创建隆起。这可以例如在各种应用中使用，以增加生成声信号的效率，和/或提供针对虚拟键盘的物理形式(例如，浮雕图案)。
[0014]本发明的换能器系统可以包括一个或更多个换能器，每一个换能器都包括光学透明面板的至少一个区域，和在与所述一个或更多个换能器关联的区域处电联接至所述面板的电触点。该(声)换能器可单个操作，以使所述多个换能器中的每一个都可以因机械振动(其可以生成声信号)而独立生成特定信号，其可以类似于或不类似于通过其它换能器生成的信号。为此，该换能器系统还包括信号传输布置(例如，布线网络/组件)，包括多个电信号传输线(例如，电线)，其电联接至所述多个声换能器(直至其相应电触点)。所述信号传输布置的信号传输线被配置成，向所述多个换能器中的单个换能器传输电信号，由此使能够实现其独立操作。
[0015]该光学透明的面板通常包括压电材料，该压电材料被配置成，响应于施加至其的电场而膨胀或皱缩(shrink)/收缩。应注意到，该光学透明的面板可以优选为沿该换能器系统延伸的连续面板；该面板可以根据联接至其不同区域的电触点而分段成单独的换能器(对应于该面板的区域)。该换能器系统还包括联接至电触点的信号传输布置(例如，电气布线组件)，并且被配置成，提供电信号或者将电压施加至所述换能器。由此，当该电触点向它们的换能器面板的关联区域施加电压(或电压变化)时，该面板的压电材料膨胀或收缩。通过向该电触点提供特定频率的交变电压(alternating voltage)，该换能器的压电材料可以按所述特定频率振动，并由此可以生成声信号。
[0016]—般来说，本发明的换能器系统可以是独立系统或集成到父类装置/系统中，并且被配置成，提供以下功能中的一个或更多个:生成相对低频的机械振动，例如，向用户提供振动感觉；按耳式扬声器模式和/或扩音器模式生成音频频带声信号，如下进一步描述的；以及利用射束形成和操纵技术生成超声波声信号，优选为高声压级(SPL)的，例如，超过20kHz的频率的超声波声信号。另外，可以利用该透明面板的压电材料，以响应于施加至其的外部压力来生成电信号。这些电信号可以通过与该换能器系统的换能器关联的电触点来收集，并且通过该信号传输布置来传输，以供进一步使用/处理。由此，该换能器系统还可以提供以下功能中的一个或更多个:响应于外部定位压力(例如，采用触摸板的形式)来生成电信号；响应于碰撞在所述换能器系统表面上的声波来生成电信号，即，操作为麦克风；响应于超声波频率(US)的声波而生成电信号，下面，还将对其进行更详细描述。
[0017]由此，根据本发明的宽泛方面，提供了一种换能器系统，该换能器系统包括:面板，该面板包括一个或更多个压电片和电触点的布置，所述电触点的布置联接至所述面板并且被配置成在所述面板中限定多个换能器。其中，所述多个换能器中的一个或更多个换能器与所述面板的一区域关联，并且与联接至所述区域的至少两个区段的至少两个电触点关联，并且被配置成使能够在所述至少两个区段中提供电场，以同时在所述区段中造成不同程度的压电材料变形，由此沿与所述区域的表面垂直的方向使所述面板的所述区域变形，由此，在所述区域中使能够进行下列操作中的至少一个:将电信号转换成机械振动；和将机械振动转换成电信号。所述电触点可以电联接至沿所述一个或更多个有源(active)层的至少顶表面和底表面的至少一个区域。所使用的压电材料可以被配置为单向取向或双向取向压电材料。
[0018]应注意到，短语“不同程度的变形”(例如，换能器区域的不同区段中的压电材料变形)可以涉及不同范围的变形(例如，分别根据表示按每单位长度/表面积/体积的变化的无量纲数所测量的)和/或不同速率的变形(例如，每单位时间的变形范围)。根据一些实施方式，这种不同区段横跨所述面板横向地和/或沿所述面板的深度垂直地设置。
[0019]所述不同程度的压电材料变形可以与所述区段中的至少一个区段中的压电材料膨胀和所述区段中的至少一个其它区段中的压电材料收缩关联。
[0020]根据本发明的一些实施方式，所述多个换能器沿所述面板按预定几何结构和间距布置。所述换能器系统可以包括联接至所述电触点并且被配置成向所述电触点提供电连接的信号传输布置，以通过所述信号传输布置，响应于提供给所述电触点的电信号，来独立操作所述换能器，以便按一个或更多个频率范围内生成机械振动。
[0021]根据本发明的一些实施方式，所述换能器系统(例如，其面板)对于可见光来说光学透明。例如，所述一个或更多个压电片，并且可能地，所述面板的无源聚合物箔片可以对可见光大致光学透明，并且可以利用大致透明的压电材料来形成(例如，透明压电聚合物)。而且，电连接至所述面板的所述多个换能器部件的电触点可以被配置为光学透明的电触点。所述电触点例如可以通过利用大致透明的导电材料和/或通过利用以薄导电部件/电线形成的大致透明的导电网格来形成。
[0022]所述换能器可以操作，用于在一个或更多个声频范围内生成机械振动，由此生成所述一个或更多个声频范围的声信号。所述一个或更多个声频范围可以包括音频带频率范围和超声波频率范围中的至少一个。
[0023]根据本发明的一些实施方式，所述面板可以包括一个或更多个层，所述一个或更多个层包括利用压电材料形成的一个或更多个有源层，该压电材料能够响应于施加至该压电材料的电信号变形，由此生成所述机械振动。所述透明面板还可以包括至少一个无源(passive)层，所述至少一个无源层在通过所述预定几何结构限定的预定位置中，以机械方式联接至所述一个或更多个有源层，使得所述面板的所述区域中的相应区段的膨胀和收缩在和所述表面垂直的预定方向上提供所述区域的变形。
[0024]根据本发明的一些实施方式，所述一个或更多个有源层可以包括至少两个有源层。所述至少两个有源层中的每一个可以利用能够响应于施加至该压电材料的电信号而变形的压电材料形成。所述至少一个换能器的一区域可以包括在所述区域中电联接至所述至少两个有源层的两个或更多个电触点；所述两个或更多个电触点被设置成在所述区域中施加电场，使得所述区域中的所述至少两个有源层中的一个有源层的区段膨胀，并且所述区域中的所述至少两个层中的一个其它有源层的区段收缩，由此，在垂直于所述表面的预定方向上使所述区域变形。
[0025]所述至少两个有源层可以通过具有相反极性的压电材料片形成，所述两个或更多个电触点包括两个电触点，所述两个电触点位于所述至少两个有源层的相对两侧并且被设置成在其间生成电场，以使响应于通过所述至少两个电触点所提供的特定方向的电场，所述有源层中的至少一个有源层膨胀，而至少一个其它有源层收缩。另选的是，通过压电材料片形成的所述两个或更多个有源层可以设置有类似极性，所述两个或更多个电触点包括位于所述至少两个有源层的相对两侧的两个电触点，和位于所述两个或更多个有源层之间的第三电触点，以使在所述两个电触点中的任一个电触点与所述第三电触点之间按相反方向提供电场导致所述有源层中的至少一个有源层膨胀，而至少一个其它有源层收缩。
[0026]根据一些实施方式，所述面板可以包括至少一个有源层，并且其中，所述至少两个电触点包括:至少第一和第二电触点，所述第一和第二电触点分别电联接至所述至少一个有源层的一表面上的、所述面板的所述区域的周边区段和中央区区段；和电联接至所述至少一个有源层的相对表面的至少第三电触点；由此，使能够相反膨胀和收缩所述面板的所述区域的所述周边区段和中央区段。
[0027]根据一些实施方式，所述面板的与换能器关联的所述区域可以配置有沿平行于所述面板的至少一个轴的预定曲率，以使所述区域的相应区段的膨胀和收缩在垂直于所述面板的预定方向上在所述区域中提供所述面板的变形。
[0028]—般来说，所述单独启用的换能器中的至少一些能够将外部压力转换成电信号。而且，所述多个单独启用的换能器中的至少一个或更多个换能器能够响应于施加至其的外部压力而生成合适的电信号，并且经由其相应电触点提供要通过所述信号传输布置传输的所述合适电信号。所述至少一个或更多个换能器能够优选地根据所述外部压力的频率来生成所述合适电信号。更具体地说，所述多个单独启用的换能器能够响应于抵达其的特定频率范围的声波而生成电信号，并且所述频率范围可以包括下列各项中的一个或更多个:可听频率和超声波频率，由此，使能够将所述换能器系统操作为麦克风。
[0029]应注意到，根据本发明的一些