TW201410040A

TW201410040A - 揚聲器振膜結構及其製造方法

Info

Publication number: TW201410040A
Application number: TW101130574A
Authority: TW
Inventors: Ju-Liang He; Po-Yu Chen
Original assignee: Univ Feng Chia
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2014-03-01
Also published as: TWI539836B; US20140054104A1; US8851228B2

Abstract

本發明為一種揚聲器振膜結構及其製造方法。本發明可利用真空被覆技術，藉由鍍膜技術之鍍膜參數上之設計和疊層，進而於極硬薄膜上之緻密層被覆另一層具有疏鬆結構之疏鬆層，或交替堆疊之，使施鍍在揚聲器振膜上之鍍膜達到微結構緻密及疏鬆之交互疊層，使揚聲器振膜結構能同時兼具有高剛性及高內耗損（制振）之特性。此發明可使揚聲器振膜結構失真率降低，進而獲得較佳的聲音品質。

Description

揚聲器振膜結構及其製造方法

本發明係一種揚聲器振膜結構及其製造方法，尤指一種兼具高楊氏模數及高內部耗損之制振特性的揚聲器振膜結構。

一套完整的發聲裝置主要由音源（audio source）、擴大機（amplifier）及揚聲器（speaker）所組成。其中，音源是用來將各種不同聲音的儲存媒體藉由不同的讀取裝置轉換成電子訊號輸出至擴大機做放大之處理，最後以揚聲器將訊號以聲音的型態傳遞出來。揚聲器主要是藉由電能轉化成動能進而產生聲音的一項電子元件，目前應用範圍相當廣泛，一般常用於通訊裝置、耳機、音響等各種能夠發出聲響的產品。一套完整的揚聲器系統是由振膜單體、永久磁鐵以及外殼所組成，其中，振膜單體對於這個發聲系統而言，占有最大的影響力，主要是由於振膜單體會影響到聲音整體的品質。揚聲器的聲音品質主要取決於振膜單體之振動模式，而一個優異的揚聲器可以在聲音低頻至聲音高頻完全將電能訊號轉換成為聲音。一般要求揚聲器在發聲時，能夠產生規則的振動模式。而振膜單體依照不同的工作頻率可分高音單體、中音單體及低音單體，聲音的產生主要就是由它來轉換，也主導了揚聲器的整體表現。揚聲器一般可約略區分靜電式、動圈式及壓電式。其中，目前使用最為廣泛為動圈式揚聲器，主要原因為其結構簡單、成本較低且音質表現較佳。而聆聽音樂時，若頻率到達高頻範圍（約5120~20000 Hz）以及低頻範圍（約20~80 Hz），音樂往往會因為揚聲器的振膜單體本身物理特性而有所衰減，若距離較遠，將更難分辨出高頻與低頻範圍的聲音。因此聆聽者通常需要額外購置高頻單體（tweeter）及低頻單體（woofer）來表現這兩頻段的聲音，才能使聲音強度在與中頻範圍聲音的聆聽上有相似的聲音強度，如此音樂才會表現出清晰且具有層次感，但額外購置高頻及低頻單體需要極高的費用，因而目前也極需一種不需額外購置高頻及低頻單體也能聽到清晰且具層次感音樂的揚聲器。在於評斷揚聲器好壞，習知對於揚聲器之振膜單體要求需要滿足三個特點：一、揚聲器之振膜單體需要具有較高的楊氏模數。聲音的速度與高共振頻率成正比，聲音的速度與楊氏模數之平方根成正比。因此，當最低共振頻率固定時，聲音的速度取決於振模單體的楊氏模數。二、揚聲器之振膜單體需要具有高的內部耗損。在頻率響應曲線中常可看到許多的不規則波峰，主要是由於在揚聲器系統振動時所發聲的共振。因此振膜單體若具有較高的內部耗損會使共振的波峰較規則，也就是說，利用高內部耗損之振膜單體於揚聲器系統中，可以減少揚聲器發聲振動時所產生的共振，降低高頻之波峰，進而達到制振之目的，使得原始的聲音能夠完整產生無發生變化。三、揚聲器之振膜單體須具備質量輕或是密度低。因此優異的揚聲器振膜單體主要以高楊氏模數且質量較輕之材料所製成，以提高聲音之傳播速度。因此為了達到上述之要求，習知已開發許多振膜單體之材料：紙類、金屬、陶瓷或是高分子，其中金屬及陶瓷的密度較大，而高分子及紙類的楊氏模數較低，使得先前的揚聲器額定輸出功率較低，電聲轉換效率也無法進一步提高，因此目前對動圈式揚聲器之改良重點在於提高振膜單體之楊氏模數及降低振膜單體的密度。為了滿足振膜單體物理性質相關之要求，也開發了高楊氏模數的碳纖維及具有高內部耗損的聚丙烯樹脂的振膜單體，但效果皆不盡完美。主要原因是隨著揚聲器振膜單體之楊氏模數增加，振膜單體之內部耗損會降低；而隨揚聲器振膜單體之內部耗損提高，振膜單體之楊氏模數卻又下降。雖然目前廣泛應用於揚聲器產品之振膜單體材料在某種程度上達到了要求，但由於揚聲器產品在未來依然不可或缺，且對於聲音品質之要求也只會有增無減，因此，對於理想的揚聲器振膜單體而言，最首要的目標在於如何從前述之物理性質中找到一個更好的平衡點。傳統的振膜單體在製造時必需遷就振膜材料的加工特性，因此無法以單一材料來達成三種要求。進而，若干改良振膜音質的方法陸續被提出，這些方法包括總承機械結構上的改進（如專利編號：TW201023660）、發振方式的創新（如專利編號：US005805726A）和材料本身的改進（如專利編號：US4772513、US005206466、CN101288336A、TW201130329A1）。參考習知之技術，如總承機械結構上的改進，台灣專利第TW201023660號中揭露一種揚聲器改良結構，可使音圈產生振動時，其上下振動能更加順暢降低失真率。其主要是由一盆架及一振動模組所組成；該振動膜組與盆架互相接合，而該振動膜組包含一懸邊及一振膜，該振膜周圍封合於該盆架開口邊緣，當音圈產生振動進而發聲，可藉由懸邊使該振膜上下振動更加順暢及降低失真率，使該振動膜較無阻力。然而此類總承機構上之設計，其複雜之結構使其在產品應用上較不利於實行。對於發振方式的創新，美國第5805726A1號專利中，揭露一種壓電式揚聲器。此專利之特色在於其利用阻尼以得到較佳之聲音保真度，且具備小型化、高傳真及不受電磁波干擾之優點。然而此技術的製程相當複雜，而且成本也相當高。除此之外，由於其使用單面壓電片驅動複合層結構振膜，會產生聲壓不足之現象，且也因其所製造之揚聲器振膜單體並不具有可撓性，而大大限制了其應用的範圍。近年來由於揚聲器之發展越趨進步，而材料本身的改進，成為現今之一大主流，其最早可追溯至西元1988年美國專利第US4772513號，該專利中揭露出日本早期就曾嘗試改善揚聲器之音質，而利用的方式主要是於揚聲器之金屬振膜或複合振膜上被覆一高剛性之非晶質碳膜，使揚聲器振膜兼具高楊氏模數且及質量輕之效果。另有台灣專利第TW201130329A1號中揭露了一種揚聲器振膜單體，透過在鈦金屬振膜上被覆一層類鑽石膜進而使振膜單體經音圈及磁鐵組驅動後，產生較佳的聲音品質。使用鈦金屬振膜引起高頻中之聲壓降低，也同時保持了聲音的平衡。然而，此技術生產步驟複雜且由於振膜單體同樣為鈦金屬，於高頻時會產生尖銳刺耳的聲音，較適合應用於高頻之聲音，除此之外，製造步驟複雜，成本也相對較高，較無法應用於產品上。而近年來，奈米碳管為近代才發現的一種新型一維奈米材料，具有較輕的質量且沿軸具有較高的強度。由於奈米碳管其優異的性質，將奈米碳管做為增強材料應用至揚聲器領域也日漸被關注。於卞基滿等人於2008年公開之中國專利第CN101288336A號，其包括一基礎振膜單體以及透過塗覆的方法於該基礎振膜單體表面形成一奈米碳管層。然而，直接透過塗覆形成的奈米碳管層中，其奈米碳管主要靠基礎振膜單體支撐，奈米碳管和奈米碳管之間的結合力弱，使得整體奈米碳管層強度小。另，其塗覆形成的奈米碳管厚度控制不容易，且奈米碳管極易團聚，從而使振膜單體各處的強度分佈較難有效控制。雖然上述對於材料本身的改進之方式使揚聲器振膜具有高楊氏模數甚至具有質量輕之優點，但可惜的是一直以來皆無法同時滿足理想的揚聲器振膜單體所需具備之三點要求，亦即無法達到理想制振效果。是以，要如何解決上述習用之問題與缺失，即為本發明之發明人與從事此行業之相關廠商所亟欲研究改善之方向所在者。

故，本發明之發明人有鑑於上述缺失，乃搜集相關資料，經由多方評估及考量，並以從事於此行業累積之多年經驗，經由不斷試作及修改，始設計出此種發明專利者。本發明之第一目的在於提供一種兼具高楊氏模數及高內部耗損之制振特性的揚聲器振膜結構。為了達到上述之目的，本發明揚聲器振膜結構，至少包括：一揚聲器振膜；以及一鍍膜，設置於該揚聲器振膜上，該鍍膜係以至少一緻密層與至少一疏鬆層互相堆疊而成。在一較佳實施例中，該鍍膜係以真空被覆技術設置於該揚聲器振膜上。在一較佳實施例中，該真空被覆技術係為陰極電弧放電離子鍍膜。在一較佳實施例中，該疏鬆層的施鍍方式係利用快速增加反應性氣體的流量，以快速形成結構疏鬆之該疏鬆層。在一較佳實施例中，該鍍膜為碳鍍膜。本發明之第二目的在於提供一種兼具高楊氏模數及高內部耗損之制振特性的揚聲器振膜結構製造方法。為了達到上述之目的，本發明揚聲器振膜結構製造方法，至少包括下列步驟：提供一揚聲器振膜；以及形成一鍍膜於該揚聲器振膜上，該鍍膜係以至少一緻密層與至少一疏鬆層互相堆疊而成。在一較佳實施例中，該鍍膜係以真空被覆技術沉積形成於該揚聲器振膜上。在一較佳實施例中，該真空被覆技術係為陰極電弧放電離子鍍膜。在一較佳實施例中，該疏鬆層的施鍍方式係利用快速增加反應性氣體的流量，以快速形成結構疏鬆之該疏鬆層。在一較佳實施例中，該鍍膜為碳鍍膜。藉由前述結構與製造方法，本發明旨在使揚聲器同時滿足理想揚聲器振膜結構所需具備之三點要求，使得揚聲器振膜結構在應用於各式各樣的電聲產品時能夠完全避開上述之缺點，使電聲產品能在發聲時夠更加地順暢且降低整體的失真率，且能夠具有更好的音質。俾藉由前述結構以及製造方法，本發明可利用質輕的鍍膜成份，如碳膜（但不限於此），使揚聲器振膜結構兼具高楊氏模數及高內部耗損之制振特性。本發明所採用的揚聲器振膜可以是任何種類及任何形狀的材料。將揚聲器振膜表面利用真空被覆技術的方式以連續式製造程序沉積一層兼具高楊氏模數及高內部耗損之鍍膜。這層鍍膜可為含任何成分之薄膜，可做為抑制揚聲器振膜單體因高速振動時產生過度的變形甚至破裂，或是防止揚聲器振膜單體於上下振動時，部分振動會因為皺摺而產生抵消現象，而導致無法發出完整的聲音，造成失真率的產生。藉由鍍膜技術之鍍膜參數之設計，進而於極緻密而高剛性之薄膜上被覆另一層具有疏鬆結構之薄膜，使施鍍在揚聲器振膜單體之鍍膜達到微結構緻密之緻密層及疏鬆之疏鬆層交互疊層，使揚聲器振膜結構能同時兼具有高剛性及高內耗損(制振)之特性。揚聲器振膜於振動時，能夠更加地順暢且降低整體的失真率，使該設計結構相較於傳統結構可獲得較佳的聲音品質。

為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及構造，茲繪圖就本發明較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全了解。請參閱第一圖與第二圖所示，係為本發明較佳實施例之立體圖與實施示意圖一，由圖中可清楚看出，本發明揚聲器振膜結構製造方法，至少包括下列步驟：（110）提供一揚聲器振膜10；以及（120）形成一鍍膜11於該揚聲器振膜10上，該鍍膜11係以至少一緻密層111與至少一疏鬆層112互相堆疊而成。於該步驟（110）中，該揚聲器振膜10係設置於一揚聲器振膜單體1。於該步驟（120）中，該鍍膜11係以真空被覆技術沉積形成於該揚聲器振膜10上，該真空被覆技術係為陰極電弧放電離子鍍膜11，且該鍍膜11係為碳鍍膜。於具體實施時，係將該揚聲器振膜單體1置入陰極電弧放電離子鍍膜系統（Cathodic arc plasma system, 簡稱CAPD, 或稱做Arc ion plating system, 簡稱AIP）的艙體中，以金屬作為靶材，藉由通入含碳源之氣體，例如乙炔。當乙炔通過金屬靶面發生的弧點時被大量解離成為活性的含碳物種，進而在基材（揚聲器振膜10）上沉積出碳鍍膜11。藉由施鍍時間、工作壓力與氣體通量之調整，可使之獲得適當厚度及具有緻密或疏鬆之結構，以形成該緻密層111與該疏鬆層112，而使揚聲器振膜單體1兼具有高楊氏模數及優異的內部耗損。施鍍條件如表1所示，由於本發明技術所施鍍之鍍膜11結構為兼具高剛性及制振效能的鍍膜11結構，因此參數主要可細分為三部分：試片清潔之乙炔轟擊、具高剛性之緻密層111施鍍以及具制振效能之疏鬆層112施鍍。其中，於此發明技術中最關鍵之疏鬆層112施鍍方式主要是利用快速增加反應性氣體的流量，使得含碳離物種與靶材離化物種快速形成一結構疏鬆之鍍膜11，主要原因為電弧離子鍍之沉積速率極高，利用此特點可製備出此種結構兼具緻密且疏鬆之鍍膜11。習知有另一種技術的製作方式是以濺鍍法進行，唯採用這類手法之鍍膜沉積速率較慢，不容易快速成長鍍膜，無法施行此方式施鍍疏鬆結構之鍍膜。表1利用陰極電弧放電離子鍍製造銅金屬層的代表性鍍膜施鍍條件數據　請參閱第一圖、第二圖以及第三圖所示，係為本發明較佳實施例之立體圖、實施示意圖一以及實施示意圖二，由圖中可清楚看出，根據本發明揚聲器振膜結構製造方法所製造之本發明揚聲器振膜結構至少包括：一揚聲器振膜10以及一鍍膜11。一揚聲器振膜10，例如可為高分子振膜；以及一鍍膜11，設置於該揚聲器振膜10上，該鍍膜11係以至少一緻密層111與至少一疏鬆層112互相堆疊而成，該鍍膜11係以真空被覆技術設置於該揚聲器振膜10上，且該真空被覆技術係為陰極電弧放電離子鍍膜，且該鍍膜11為碳鍍膜。而其具體實施方式即如本發明揚聲器振膜結構製造方法，本發明揚聲器振膜結構是於揚聲器振膜單體1之揚聲器振膜10表面上以陰極電弧放電離子被覆方式，在揚聲器振膜10上施鍍膜11，包括一層緻密而高剛性之緻密層111以及較疏鬆之高內部耗損疏鬆層112，使得揚聲器振膜單體1整體兼具高楊氏模數及高內部耗損之制振特性。實際結構之截面圖請參閱第三圖所示，由圖中可觀察到鍍膜11由初始成長緻密之緻密層111，而後藉由施鍍參數上之調製，利用快速增加反應性氣體的流量，以快速形成結構疏鬆之該疏鬆層112，也因為此疏鬆之結構的疏鬆層112而使揚聲器振模具有較高的內耗損之制振特性，且藉由底層高楊氏模數之含金屬碳化物的緻密層111可使本發明之揚聲器振膜單體1於要求之物理性質中達一最佳之平衡點。請參閱第四圖以及第五圖所示，係為本發明再一較佳實施例之立體圖、實施示意圖一以及實施示意圖二，由圖中可清楚看出，本實施例與前一實施例大致相同，本發明揚聲器振膜單體2之另一結構是於揚聲器振膜單體2之揚聲器振膜20表面上以陰極電弧放電離子被覆方式，在揚聲器振膜20上施碳鍍膜21，該鍍膜21包括緻密而高剛性之緻密層211，及疏鬆而高內部耗損之疏鬆層212，藉由緻密緻密層211以及梳鬆之疏鬆層212之多層交替堆疊而成。實際結構之截面圖請參閱第五圖所示，由圖中可觀察到鍍膜21是由多層結構所堆疊而成，藉由緻密之含金屬碳化物緻密層211以及結構疏鬆之含金屬碳化物疏鬆層212組成一兼具有高楊氏模數及高內部耗損之制振特性的疊層鍍膜21。經此結構之設計，此實施例之揚聲器振膜單體2於要求之物理性質中也可達一最佳之平衡點。需要特別說明的是，本發明採用真空沉積技術將揚聲器振膜表面利用真空沉積技術的方式形成一層高楊氏模數及高內部耗損之鍍膜結構。此鍍膜可為含任何成分之薄膜，做為抑制揚聲器振膜單體因高速振動時產生過度的變形甚至破裂，或是防止揚聲器振膜單體於上下振動時，部分振動會因為皺摺而產生抵消現象，而導致無法發出完整的聲音，造成失真率的產生。藉由鍍膜技術之鍍膜參數上之設計和疊層，進而於極硬緻密層上被覆另一層具有疏鬆結構之疏鬆層，使施鍍在揚聲器振膜單體之鍍膜達到微結構緻密之緻密層及疏鬆之疏鬆層交互疊層，使揚聲器單體能同時兼具有高剛性及高內耗損（制振）之特性。並且，本發明並不限制該緻密層與該疏鬆層之交互疊層數量，同樣地，也不限制先施作該緻密層或該疏鬆層於該揚聲器振膜上，若先施作該疏鬆層於該揚聲器振膜上應也為可行的解決方案。而本發明採用之真空被覆技術的特徵包含：一、極高的鍍膜成長速率，使得利用真空鍍膜技術於揚聲器振膜單體製造極硬鍍膜之緻密層成為實用可行。二、極佳的鍍膜附著性，使得極硬鍍膜能在揚聲器振膜單體振動中保持良好的機械狀態，無剝落鬆脫之虞。三、相較於其他製程具有相對低溫的工作溫度，使得其施鍍應用範圍更可擴展至高分子材料。請參閱全部附圖所示，相較於習用技術，本發明具有以下優點：本發明藉由鍍膜技術之鍍膜參數上之設計和疊層，進而於極硬緻密層上被覆另一層具有疏鬆結構之疏鬆層，使施鍍在揚聲器振膜單體之鍍膜達到微結構緻密及疏鬆之交互疊層，使揚聲器單體能同時兼具有高剛性及高內耗損（制振）之特性。此鍍膜之揚聲器振膜單體主要可應用於各種需要發聲之裝置，改善長久以來聲音品質之問題。如此而達到本發明技術之目的，堪稱一實用性極高之創作。透過上述之詳細說明，即可充分顯示本發明之目的及功效上均具有實施之進步性，極具產業之利用性價值，且為目前市面上前所未見之新發明，完全符合發明專利要件，爰依法提出申請。唯以上所述著僅為本發明之較佳實施例而已，當不能用以限定本發明所實施之範圍。即凡依本發明專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

1．．．揚聲器振膜單體

10．．．揚聲器振膜

11．．．鍍膜

111．．．緻密層

112．．．疏鬆層

2．．．揚聲器振膜單體

20．．．揚聲器振膜

21．．．鍍膜

211．．．緻密層

212．．．疏鬆層

第一圖係為本發明較佳實施例之立體圖，說明本發明揚聲器振膜單體之立體外觀圖；第二圖係為本發明較佳實施例之實施示意圖一，說明本發明之鍍膜設置於該揚聲器振膜上；第三圖係為本發明較佳實施例之實施示意圖二，說明本發明之該緻密層與該疏鬆層；第四圖係為本發明再一較佳實施例之實施示意圖一，說明本發明之鍍膜設置於該揚聲器振膜上；以及第五圖係為本發明再一較佳實施例之實施示意圖二，說明本發明之該緻密層與該疏鬆層係互相堆疊而成該鍍膜。

1．．．揚聲器振膜單體

11．．．鍍膜

Claims

一種揚聲器振膜結構，至少包括：一揚聲器振膜；以及一鍍膜，設置於該揚聲器振膜上，該鍍膜係以至少一緻密層與至少一疏鬆層互相堆疊而成。
如申請專利範圍第1項所述之揚聲器振膜結構，其中該鍍膜係以真空被覆技術設置於該揚聲器振膜上。
如申請專利範圍第2項所述之揚聲器振膜結構，其中該真空被覆技術係為陰極電弧放電離子鍍膜。
如申請專利範圍第2項所述之揚聲器振膜結構，其中該疏鬆層的施鍍方式係利用快速增加反應性氣體的流量，以快速形成結構疏鬆之該疏鬆層。
如申請專利範圍第1項所述之揚聲器振膜結構，其中該鍍膜為碳鍍膜。
一種揚聲器振膜結構製造方法，至少包括下列步驟：提供一揚聲器振膜；以及形成一鍍膜於該揚聲器振膜上，該鍍膜係以至少一緻密層與至少一疏鬆層互相堆疊而成。
如申請專利範圍第6項所述之揚聲器振膜結構製造方法，其中該鍍膜係以真空被覆技術沉積形成於該揚聲器振膜上。
如申請專利範圍第7項所述之揚聲器振膜結構製造方法，其中該真空被覆技術係為陰極電弧放電離子鍍膜。
如申請專利範圍第7項所述之揚聲器振膜結構製造方法，其中該疏鬆層的施鍍方式係利用快速增加反應性氣體的流量，以快速形成結構疏鬆之該疏鬆層。
如申請專利範圍第6項所述之揚聲器振膜結構製造方法，其中該鍍膜為碳鍍膜。