TW201717662A

TW201717662A - 揚聲器元件

Info

Publication number: TW201717662A
Application number: TW104137237A
Authority: TW
Inventors: Bo-Yu Chen; Chen-Mao Yang; yi-lin Xie; Hong-Ping Lin
Original assignee: Merry Electronics Co Ltd
Priority date: 2015-11-11
Filing date: 2015-11-11
Publication date: 2017-05-16

Abstract

一種揚聲器元件，包括一容室、一振膜、一過篩元件、以及複數個多孔隙顆粒。容室由振膜定義二腔室，而過篩元件於所在腔室內區隔出一填充空間，該等多孔隙顆粒按一填充比例填充於前述填充空間內。單一多孔隙顆粒係包括複數個多孔的微粒經過造粒程序結合而成，使得多孔隙顆粒可以吸附空氣而使揚聲器元件保持微型尺寸與提供優越的電聲性質。

Description

揚聲器元件

本發明涉及一種揚聲器元件，特別是一種微機電揚聲器元件，具有微型尺寸與優越的電聲性質。

因應消費性電子產品微型化的市場需求，微機電(Micro Electro Mechanical Systems，以下簡稱MEMS)技術因應而生，在電聲領域發展有聲波轉換至電訊號的MEMS揚聲器；MEMS揚聲器在保持微型尺寸的同時，也有較佳的性躁比、靈敏度、溫度穩定性等等特性，因此廣受消費者青睞。然而，微型化既是MEMS揚聲器的優勢，也相對有先天的限制。如MEMS揚聲器晶片中前腔與背腔的空間相當狹小，在有限空間的情況下空氣阻力過大將影響振膜振動，尤其背腔(back chamber)是使外部音波形成共振的空間，而低頻段音波相對其他頻段又需要更大的共振空間，因此對背腔空間的擴增，以取得MEMS揚聲器晶片具有較佳的靈敏度、頻率響應曲，為業界追求的目標之一。

因此，業界提出一種改善背腔共振的方式，在背腔內設有多孔材料，孔洞可以吸附空氣，被多孔材料所吸附的空氣在振動時同時帶動多孔材料振動，因此可改變背腔內部的共振頻率，其效果相當於增加背腔體積，進而達到有限的尺寸內虛擬出一個擴增的背腔。

2012年12月18日公告之美國專利號US 8,335,333 B2，專利名稱「LOUDSPEAKER SYSTEM」，申請人松下電器(Panasonic Corporation)公開在背腔內設有複數粒子，粒子間以黏著劑相連結以保持粒子間距，且粒子可以選用自帶多孔特性的材料，如碳、二氧化矽、沸石等。因此，單一粒子本身的孔隙、以及粒子與粒子間的空隙都可充填空氣。

2013年7月4日公告之美國專利「LOUDSPEAKER SYSTEM WITH IMPROVED SOUND」，其公告號US 2013/0170687 A1，申請人樓氏(Knowles Corporation)公開一種麥克風裝置在背腔設有沸石(Zeolite)材料，沸石材料呈微粒狀且沸石微粒的矽/鋁之質量比大於200，沸石微粒的粒徑分布為0.2mm~0.9mm，由沸石材料的自身特性以及製程設計，可形成大小不一的孔洞，其孔徑分布在0.7μm~30μm。充滿在沸石孔洞的空氣同時帶動沸石在背腔內振動，改變了背腔的共振頻率，進而虛擬出擴增的背腔。

類似的概念在2014年4月1日美國專利「LOUDSPEAKER SYSTEM」公告之專利號為US 8,687,836 B2也有提及。申請人博士音響(Bose Corporation)公開一種以矽為基礎的沸石材料，並至少混合金屬鋁，且矽/鋁之莫耳比在200~400之間；同樣的，此材料也是放在一個可以形成共振的空間。

2014年7月1日專利公告號為US 8767998 B2之美國專利「PRESSURE ADJUSTOR AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME,SPEAKER DEVICE USING THE PRESSURE ADJUSTOR,ELECTRONIC DEVICE,AND VEHICLE」，申請人松下電器(Panasonic Corporation)則公開在背腔裡設有一片狀的織材，織材以黏著劑附著有複數微小碳粒，藉此創造出可以吸附空氣的織材。

然而，儘管在背腔設有多孔材料的先前技術已前仆後繼，產業上卻仍然有改善的空間，例如碳本身的孔隙不易形成，吸附效果不佳；沸石為晶矽材料，成晶製程仍要求相當的精密度與時間，使製作成本提高；此外，具有氣體吸附功能的結晶材料有明顯的老化衰退現象，導致產品使用壽命較短。因此，兼顧優越的微型尺寸與電聲性質的同時，進一步追求製程效率與降低成本，還是為業界亟待克服的議題。

本發明之目的在於提供一種揚聲器元件，在不受揚聲器種類的限制下，可保持優越的微型尺寸與電聲性質的同時，能進一步達到較高的製程效率與較低的製程/原料成本。

為此，本發明提供一種揚聲器元件，包括一容室、一振膜、一過篩元件、與複數個多孔隙顆粒。容室由振膜定義出第一與第二腔室，其中，振膜間隔出與出音方向相同之第一腔室為前聲腔室，振膜間隔出另一個相對於前聲腔室的第二腔室則為後聲腔室，過篩元件設置於該後聲腔室且區隔出一填充空間，使填充空間與振膜分別位於過篩元件相對二側。複數個多孔隙顆粒按一填充比例填充於後聲腔室之填充空間內，其中，各該多孔隙顆粒由複數個多孔的微粒結合而成，而於所在後聲腔室內的填充空間振動。

因此，本發明所提供的揚聲器元件，特別是應用於訴求輕巧、省電的耳機或手持式裝置內的微型揚聲器上，在較小的機構空間內，使得聲音的共振頻率往中低頻移動，且在擴大頻寬範圍下，導致其聲音細節的表現才能被完整呈現；除此之外，本發明的揚聲器元件在有限的腔室結構空間下，藉由多孔隙顆粒於所在後聲腔室內的填充空間彼此獨立而能自由振動，透過顆粒各自振動的過程來加大顆粒的比表面積(specific area)的總量，以達到虛擬擴大背腔之效果，進而提升聲音的低頻表現，以維持在較小的尺寸與優異的聲學性質。復又，該等微粒可以由多孔性的非晶質材料所構成，相較於其他晶質材料，非晶質材料更容易藉由製程調整多孔隙顆粒或微粒的粒徑尺寸大小，以及其於所在腔室之填充空間內的填充比率，提高揚聲器元件的可靠度，並維持較低的製程成本。

10‧‧‧容室

11‧‧‧第一腔室

12‧‧‧第二腔室

121‧‧‧非填充空間

122‧‧‧填充空間

20‧‧‧振膜

30‧‧‧過篩元件

40‧‧‧多孔隙顆粒

50、50a、50b‧‧‧微粒

R‧‧‧粒徑

S100、S200、S300、S101~S104、S201~S202‧‧‧步驟

60a‧‧‧懸浮溶液

60b‧‧‧膠質流體

70a‧‧‧霧化器

70b‧‧‧快速冷凍容室

71b‧‧‧攪拌機構

70c‧‧‧真空室

70d‧‧‧冷凝室

71d‧‧‧冷凝管

第1圖為本發明揚聲器元件之第一實施例之結構示意圖；第2為揚聲器元件之背腔產生共振之示意圖；第3圖為本發明揚聲器元件之第二實施例之結構示意圖；第4圖為第1圖之多孔隙顆粒之示意圖；第5圖為本發明揚聲器元件之製作流程圖；第6圖為第3圖步驟S200之製程示意圖；第7圖為相同填充空間的容積、不同填充比例下的阻抗曲線圖；第8圖為顆粒不同粒徑分布下的阻抗曲線圖；以及第9圖為相同填充比例、不同填充空間的容積的阻抗曲線表。

請參閱第1~2圖，係本發明之一種揚聲器元件的第一實施例，包括：一容室10、一振膜20、一過篩元件30、與複數個大小概略均勻的多孔隙顆粒40。振膜20設於容室10間隔並定義出一第一腔室11及一第二腔室12；第一腔室11為與出音方向S相同之前聲腔室，第二腔室12為相對於前聲腔室的後聲腔室。過篩元件30則設於第二腔室12內區隔且定義出一非填充空間121與一填充空間122；詳而言之，填充空間122與振膜20分別位於過篩元件30之相對二側，因此填充空間122藉過篩元件30與振膜20間存在的非填充空間121，而相距振膜20一預定距離d；而容室10根據一容積比例決定填充空間122在容室10所佔的容積，填充空間122根據一填充比例決定該等多孔隙顆粒40在填充空間122所填充的容積。

其中，第一腔室11之開口僅概示而不拘束本實施例；其中，多孔隙顆粒40本身是由複數個多孔的非晶質的微粒50以黏著劑結合而成，而該等多孔隙顆粒40彼此各自獨立，而可於所在第二腔室12內的填充空間122中振動。

由於非晶質材料是不具有晶界與長程規律性的非結晶態，不必具備穩定的長晶環境與足夠的長晶時程，因此非晶質材料對於製作時程的要求較短、成本也較低；前述的非晶質的微粒50便是由非結晶態(不具有晶界與長程規律性，僅具有短程規律性)的多孔性的非晶質材料所製成。前述材料可選自多孔性材料如：活性碳(activated carbon)、沸石(Zeolite)、二氧化矽(SiO₂)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鋯(ZrO₂)、氧化鎂(MgO)、四氧化三鐵(Fe₃O₄)、分子篩(Molecular sieve)、富勒烯(Fullerene)與奈米碳管(Carbon Nanotude)其中之一及其所構成之群組；而前述粘著劑則可以使用粉末狀樹脂材料(Powdery Resin Material)或是纖維狀樹脂材料(Fibrous Resin Material)。在本實施例中，多孔隙顆粒40的粒徑R分布為100μm~500μm；微粒50是由非晶質的二氧化矽所製成，其粒徑範圍可以為10nm~100μm；此外，多孔隙顆粒40彼此各自獨立並隨機堆疊，不按照一定空間順序排列，於所在的第二腔室12(後聲腔室)的填充空間122內獨立且自由振動，產生如第2圖所示充滿於填充空間122內的產生自由振動現象。

本發明的過篩元件30設於該等多孔隙顆粒40所在第二腔室12的填充空間122內，使該等多孔隙顆粒40相距振膜20有前述的預定距離d，以避免振膜20振動時，受到多孔隙顆粒40的干擾而產生異音。過篩元件30是由透氣材料組成，以達到保持透氣順暢，又可阻擋多孔隙顆粒40與振膜20接觸造成元件損壞。過篩元件30具有複數網目31，而該等網目31之尺寸小於該等多孔隙顆粒40之粒徑，且該等網目31之尺寸至少於100μm以上，使得過篩元件30透氣順暢，空氣仍可在第二腔室12各角落不受拘束並自由振動。

影響第二腔室12的共振頻率，至少取決於多孔隙顆粒40本身的多孔性、多孔性顆粒40本身的粒徑分布、多孔性顆粒40於填充空間122內的填充比例、填充空間122於容室10的容積比例等因素。

由於多孔隙顆粒40本身的多孔性則取決於微粒50、以及微粒50與微粒50間的堆疊方式與成形狀態，而本發明之微粒50與多孔隙顆粒40的實現方式、以及揚聲器元件具備前述多孔隙顆粒40的實現方式，請參閱第5圖之步驟如下：步驟S100，製成多孔的非晶質二氧化矽微粒50；步驟S200，對多孔的非晶質二氧化矽微粒50進行造粒使成為多孔隙顆粒40；以及步驟S300，將眾多的多孔隙顆粒40填充至第二腔室12。其中，於步驟S100中，發明人係採用凝膠法合成多孔的非晶質的二氧化矽，不同的濃度與時間會產出不同的孔徑與比例，其過程概述如下：首先，步驟S101，置備三種溶液，其一為聚乙二醇(Polyethylene Glycol,PEG)溶液，在本實施例係由4克(g)的PEG溶於水中並攪拌溶解所形成；次為矽酸鈉(Sodium Silicate,S.S.)溶液，在本實施例係由16g的S.S.溶於水中所形成；以及酸型緩衝溶液(Acid Buffer Solution)，在本實施例係由檸檬酸(Citric Acid)與氫氧化鈉(Sodium hydroxide)混合而成的溶液。接著執行步驟S102，混合前述三種溶液並靜置數小時，其較佳為2小時。然後進入步驟S103，對前述的混和溶液進行水熱處理(Hydrothermal treatment)，其較佳為置於環境溫度為攝氏100度之下反應數小時，以調整反應物的物化性質而不破壞反應物結構。最後進行步驟S104，將前述反應物過濾後並經過不同溫度的鍛燒(至少一次)，取得粉末態的非晶質二氧化矽微粒，且每一個非晶質二氧化矽微粒50均佈滿大小不一的孔徑。

採用凝膠法產出粉末態的多孔的非晶質二氧化矽微粒50至少可達到兩種效果：一、製程便捷與效率；二、矽原料的純度不必過度要求。因此原料取得較容易，取得價格也較合理，原料的成本可大幅降低。

於步驟S200中，造粒(Granulation)過程採噴塗冷凍製程(Spray Freezing Process)與低溫乾燥製程(Freeze Drying Process)進行造粒；在步驟S200中，粉末態的非晶質二氧化矽微粒50每經過一個程序，都有可能因為黏著劑與其他的微粒50結合而逐漸變大；現概述過程如下：步驟S201，將粉末態的非晶質二氧化矽微粒50先與黏著劑、分散劑混合成一懸浮溶液60a，暫時稱此時的微粒為中間態的非晶質二氧化矽微粒50a；再混以施壓的氣體(Air)，使懸浮溶液60a通過一霧化器70a以霧化態噴灑進一快速冷凍容室70b；此時，懸浮溶液60a膠質化為一膠質流體60b，而可使中間態的非晶質二氧化矽微粒50a通過冷凍環境與黏著劑的充分作用之下，彼此結合呈較大微粒的非晶質二氧化矽微粒50b。快速冷凍容室70b於底部設有攪拌機構71b，可以攪拌容室內膠質流體60b，以提高中間態的非晶質二氧化矽微粒50a彼此接觸的機會，使中間態的非晶質二氧化矽微粒50a更容易形成呈較大的非晶質二氧化矽微粒50b的半成品。

接著進行步驟S202進行冷凍乾燥，將半成品的非晶質二氧化矽微粒50b置入一真空室70c，藉由低溫與真空環境而讓水分發生昇華，水分從真空室70c被帶至冷凝室70d，藉由冷凝管71d進行冷凝，而原本的非晶質二氧化矽微粒50b與膠質流體60b則在冷凍乾燥之後形成多孔隙顆粒40。其中，真空室70c的溫度要介於快速冷凍容室70b與冷凝室70d的溫度之間，使膠質流體60b的水分在進入真空室70c時能發生氣化。快速冷凍容室70b以充填液態氮使容室內溫度保持在相當於液態氮沸點的攝氏零下196度(-196℃)，而冷凝室80則控制在攝氏零下30度(-30℃)。造粒後的成品為外型不規則的多孔隙顆粒40，其粒徑為100μm~500μm不等；其中，粉末態的非晶質二氧化矽微粒50與微粒50之間的結合是以黏著劑結合，並且該等微粒50彼此粒徑可能不一、微粒50與微粒50間的間距也可能不一。

值得說明的是，該等微粒50是呈粉末態的非晶質二氧化矽，正因為微粒50的為非晶質材料製作而成，其粒徑尺寸較晶質材料更容易控制、且成本更低；而且由多個粒徑均勻的微粒50組合的多孔隙顆粒40，因為其堆疊較穩定也較密，從而提高比表面積(Specific Surface Area)，因此其吸附空氣的效果更好。具體而言，在本實施例中粉末態的非晶質二氧化矽微粒50的粒徑分布在2μm以下或分布在1~2μm，或者在同一的多孔隙顆粒40 中，該等微粒50係可以區辨出一最大微粒與一最小微粒，而最大微粒與最小微粒間的粒徑差異在1μm以下，或者，前述兩條件並存。前述對微粒50的粒徑所加諸的具體限制，便是為提供由粒徑相近的微粒50組合的多孔隙顆粒40，使之具有較大的比表面積，提供較佳的氣體吸附功能；此外，也可使造粒時，粒徑均勻的微粒50彼此堆疊可形成較密堆積，使得各個多孔隙顆粒40的結構與尺寸都較為均勻，除比表面積提高之外也更容易堆疊產生顆粒40呈球體形態的結果。另外，通過前述製程所形成的多孔隙顆粒40，黏著劑於所在的多孔隙顆粒40的重量比為5%~10%。

於步驟S300中，將複數個多孔隙顆粒40填充入揚聲器元件第二腔室12的填充空間122中。由於非晶質微粒50不存在結晶材料的缺陷，故不容易產生形變，其物理性質與化學性質也不具有方向性，所以具備比結晶材料更高的強度與耐受性，使得填充非晶質微粒50的揚聲器元件具有更高的產品可靠度。

請同時參閱第7~9圖，為申請人對前列影響第二腔室12的共振頻率的其他因素所提供相關實驗的佐證。如第7圖，在相同填充空間122的容積比例下，多孔隙顆粒40佔據填充空間122的填充比例至少50%，可以提供較佳的共振頻率；並從第7圖可進一步獲知，在其他可能的情況下，多孔隙顆粒40也可以佔據填充空間122的填充比例在70%~90%，填充比例在80%的共振頻率為最佳；即，使振膜20推動時在固定的機構空間內，能使聲音的共振頻率往中低頻移動，達到擴大頻寬範圍之效益，並且在阻尼增加情況下，總諧波失真(Total Harmonic Distortion)降低，振動系統之耐功率也可被提升。換句話說，在本發明之揚聲器元件中，相同填充空間122的容積比例且相同尺寸(規格)的多孔隙顆粒40的情況下，填充比例50%以上能有效地使共振頻率往中低頻移動。根據前述，多孔隙顆粒40只要可吸附氣體、並於填充空間122各自獨立而自由振動，即能加大該等多孔隙顆粒40的比表面積的總量，若進一步佔據填充空間122的填充比例達50%以上，便能如第7圖中使共振頻率往中低頻移動，進而達到虛擬地擴大第二腔室12(後聲腔室)的技術效果。

如參閱第8圖，在本發明之揚聲器元件中，相同容積比例與填充比例的情況下，填充不同尺寸(規格)的多孔隙顆粒40亦會影響共振頻率；當所填充的多孔隙顆粒40，其粒徑分布在180μm以上時能有效地獲取較低的共振頻率。值得說明的是，過篩元件30的網目31與多孔隙顆粒40的粒徑存在著一定關係。例如：當該等多孔隙顆粒40之粒徑分布在500μm，該等網目31之尺寸分布於300μm~350μm；當該等多孔隙顆粒40之粒徑分布可在180μm~420μm，該等網目31之尺寸分布於100μm~350μm，只要保持該等網目31之尺寸小於該等多孔隙顆粒40之粒徑即可。

另，在多孔隙顆粒40所在填充空間122之相同填充比例下，不同填充空間122的容積比例也會獲取不同的共振頻率。當填充空間122在容室10的容積比例過大時，如第9圖，揚聲器單體聲音的共振頻率將會受到自由聲場(free field)的影響，此時填充多孔隙顆粒40已沒有太明顯降低共振頻率的效益；因此，多孔隙顆粒40所在的填充空間122，佔據容室10整體的容積比例在15%~25%較佳。

由於本發明所提供的揚聲器元件，特別是應用於訴求輕巧、省電的耳機或手持式裝置內的微型揚聲器上，在較小的機構空間內，使得聲音的共振頻率往中低頻移動，且在擴大頻寬範圍下，導致其聲音細節的表現才能被完整呈現。因此，透過前述相關實驗的佐證，本發明的確可以在有限的腔室結構下來虛擬擴大第二腔室12的效果，提升聲音的低頻表現，進而提供優越的聲學性能。

復參閱第2圖，為本發明之揚聲器的第二實施例，多孔隙顆粒40所在第二腔室12的填充空間122，係不侷限單一構形的腔室，例如，本實施例中第二腔室12的填充空間122包括一主腔空間1221、一副腔空間1222、以及連接前述兩個次空間1221、1222的橋部1223。第二腔室12的構形並非本發明所問，重點在於：多孔隙顆粒40在第二腔室12內填充空間122中的填充比例、多孔隙顆粒40與微粒50本身的粒徑要求、以及填充空間122佔容室10整體的容積比例，以達到可產生虛擬的擴大背腔的技術效果。因此，本發明之揚聲器元件不局限於微機電揚聲器的種類，亦不侷限於第二腔室12之填充空間122，只要具備有可使多孔隙顆粒產生自由振動的腔室，均為本發明之創作概念所及。

綜上所述，本發明能在保持優越的電聲性質的同時，能進一步達到較低的製程效率與較低的製程/原料成本。本發明及其具體實施例係不侷限於上述例示，其概念透過申請專利範圍的概念與範疇下可為替代或變換。