Die vorliegende Erfindung betrifft eine MEMS-Lautsprecheranordnung zum Erzeugen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum mit einem Gehäuse, das einen Schallleitkanal und eine am Ende des Schallleitkanals angeordnete Schallaustrittsöffnung aufweist, mit zumindest zwei MEMS-Lautsprechern, die derart im Inneren des Gehäuses angeordnet sind, dass die von den MEMS-Lautsprechern erzeugten Schallwellen über den gemeinsamen Schallleitkanal zu der gemeinsamen Schallaustrittsöffnung führbar sind, und mit einer Steuereinheit zum Ansteuern der beiden MEMS-Lautsprecher. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen MEMS-Lautsprecheranordnung.
Die Bezeichnung MEMS steht für mikroelektromechanische Systeme. MEMS-Lautsprecher bzw. Mikrolautsprecher ist beispielsweise aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine MEMS-Lautsprecheranordnung sowie mit einem Verfahren zum Betreiben einer derartigen MEMS-Lautsprecheranordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
Vorgeschlagen wird eine MEMS-Lautsprecheranordnung zum Erzeugen von Schallwellen im hörbaren Wellenlängenspektrum. Sie umfasst ein Gehäuse, das einen Schallleitkanal und eine am Ende des Schallleitkanals angeordnete Schallaustrittsöffnung aufweist. Des Weiteren umfasst die MEMS-Lautsprecheranordnung zumindest zwei MEMS-Lautsprecher. Diese sind derart im Inneren des Gehäuses angeordnet, dass die von den MEMS-Lautsprechern erzeugten Schallwellen über den gemeinsamen Schallleitkanal zu der gemeinsamen Schallaustrittsöffnung führbar sind. Auch umfasst die MEMS-Lautsprecheranordnung eine Steuereinheit zum Ansteuern der MEMS-Lautsprecher. Von den zumindest zwei MEMS-Lautsprechern ist einer der beiden dem anderen in Richtung der Schallaustrittsöffnung nachgelagert. Hierdurch kann der nachgelagerte MEMS-Lautsprecher auf die vom vorgelagerten MEMS-Lautsprecher erzeugten Schallwellen Einfluss nehmen, da diese aufgrund des gemeinsamen Schallleitkanals an ihm vorbeigeführt werden. Die Steuereinheit ist derart ausgebildet, dass mittels dieser zur Erhöhung der Maximallautstärke der MEMS-Lautsprecheranordnung die beiden MEMS-Lautsprecher derart ansteuerbar sind, dass der erste der zumindest zwei MEMS-Lautsprecher - d.h. derjenige MEMS-Lautsprecher, dessen Schallwellen den längeren Weg bis zur gemeinsamen Schallaustrittsöffnung zurücklegen müssen - als Schallerzeuger zum Erzeugen einer Anfangswelle und der diesem nachgelagerte zweite MEMS-Lautsprecher - d.h. derjenige MEMS-Lautsprecher dessen Schallwellen im Vergleich zum ersten MEMS-Lautsprecher einen kürzeren Weg bis zur Schallaustrittsöffnung zurücklegen müssen - als Schallverstärker zum Verstärken dieser Anfangswelle ausgebildet ist. Hierdurch kann vorteilhafterweise der Schalldruck der MEMS-Lautsprecheranordnung erhöht werden, wodurch die Maximallautstärke gesteigert werden kann. Neben dieser Leistungssteigerung kann durch eine derartige Ausbildung der MEMS-Lautsprecheranordnung ferner ihr Bauvolumen klein gehalten werden. Die Folge ist demnach eine kompakte MEMS-Lautsprecheranordnung mit einer sehr guten akustischen Leistungsfähigkeit.
Vorteilhaft ist es, wenn sich eine Membranauslenkungsachse zumindest eines MEMS-Lautsprechers quer zum Schallleitkanal und/oder zu einer Längsachse des Gehäuses erstreckt. Hierdurch kann die MEMS-Lautsprecheranordnung sehr kompakt ausgebildet werden. Des Weiteren können beliebig viele MEMS-Lautsprecher in Reihe geschalten werden.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Länge des Schallleitkanals vom Schallerzeuger bis zur gemeinsamen Schallaustrittsöffnung größer ist als vom Schallverstärker bis zur Schallaustrittsöffnung. Hierdurch müssen die vom Schallerzeuger erzeugten Schallwellen einen längeren Weg im gemeinsamen Schallleitkanal zurücklegen als die vom Schallverstärker erzeugten Schallwellen. Des Weiteren werden die vom Schallerzeuger erzeugten Schallwellen hierdurch am nachgelagerten Schallverstärker vorbeigeführt, so dass über diesen auf die vom Schallerzeuger erzeugten Schallwellen Einfluss genommen werden kann. Infolgedessen kann durch entsprechende Ansteuerung des Schallverstärkers eine Amplitudenerhöhung der vom Schallerzeuger ausgesendeten Anfangswelle bewirkt werden.
Um die Beeinflussung der in den Schallleitkanal eingebrachten Schallwellen durch die Raumgeometrie des Schallleitkanals möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, wenn sich der Schallleitkanal in Längsrichtung der MEMS-Lautsprecheranordnung erstreckt und/oder zumindest im Bereich der MEMS-Lautsprecher geradlinig, insbesondere mit ebenen und/oder zueinander parallelen Seitenwänden, ausgebildet ist. Diesbezüglich ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der Schallleitkanal im Wesentlichen eine quaderförmige Geometrie aufweist. In diesem Fall sind die MEMS-Lautsprecher vorzugsweise, insbesondere an derselben, Seitenwand des quaderförmigen Schallleitkanals angeordnet.
Die MEMS-Lautsprecheranordnung kann sehr kompakt und konstruktiv einfach ausgebildet werden, wenn die gemeinsame Schallaustrittsöffnung an einem Ende, insbesondere an einer Stirnseite, des Gehäuses ausgebildet ist.
Vorteilhaft ist es, wenn der Schallerzeuger und der Schallverstärker nebeneinander angeordnet sind. Auch ist es vorteilhaft, wenn diese derart zueinander angeordnet sind, dass sich ihre Membranauslenkungsachsen zueinander parallel und/oder lotrecht zu einer Längsachse des Gehäuses erstrecken. Hierdurch können störende Einflussfaktoren auf die Schallausbreitung im Schallleitkanal reduziert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen der Schallerzeuger und der zumindest eine Schallverstärker, insbesondere auf ihrer dem Schallleitkanal abgewandten Seite, eine gemeinsame Kavität auf. Diese ist vorzugsweise zumindest teilweise durch einen Gehäusehohlraum ausgebildet. Zusätzlich kann die Kavität durch einen Trägersubstrathohlraum des jeweiligen MEMS-Lautsprechers erweitert sein.
Ferner erstreckt sich diese gemeinsame Kavität vorzugsweise über die gesamte Breite aller entlang des Schallleitkanals angeordneter MEMS-Lautsprecher. Dadurch, dass sich mehrere MEMS-Lautsprecher eine gemeinsame Kavität teilen, kann vorteilhafterweise die Federwirkung der Luft innerhalb der Kavität reduziert werden, da das Kavitätsvolumen jedes einzelnen MEMS-Lautsprechers auf das gesamte Volumen der gemeinsamen Kavität vergrößert ist.
Zur Erzeugung einer konstruktiven Interferenz, bei der die Amplitude einer Schallwelle erhöht wird, ist es vorteilhaft, wenn der Schallerzeuger und der zumindest eine Schallverstärker im selben Frequenzbereich arbeiten.
Ferner ist es zur Steuerung einer optimalen Überlagerung zweier Schallwellen vorteilhaft, wenn der Schallerzeuger und der zumindest eine Schallverstärker zueinander unterschiedliche akustische Eigenschaften aufweisen. Demnach ist es insbesondere vorteilhaft, wenn diese zueinander unterschiedliche Membrangrößen und/oder maximale Membranauslenkbarkeiten aufweisen.
Vorteilhaft ist es, wenn der Schallerzeuger und der Schallverstärker als separate Bauteile ausgebildet sind. In diesem Fall weist jeder von diesen vorzugsweise eine eigene Membran auf. Diese ist ferner insbesondere durch einen Trägerrahmen entlang ihrer Membranauslenkungsachse schwingbar gehalten.
Alternativ oder zusätzlich ist es ebenso vorteilhaft, wenn zumindest zwei MEMS-Lautsprecher als ein einziges Bauteil mit einer gemeinsamen Membran ausgebildet sind, wobei vorzugsweise jedem dieser MEMS-Lautsprecher ein separat ansteuerbarer und/oder voneinander schwingungsentkoppelter Membranbereich zugeordnet ist.
Vorteilhaft ist es, wenn der Schallerzeuger mittels der Steuereinheit zu einem ersten Zeitpunkt derart ansteuerbar ist, dass in den Schallleitkanal eine Anfangswelle einbringbar ist. Diesbezüglich ist es ferner vorteilhaft, wenn mittels der Steuereinheit die Membran oder alternativ der Membranbereich des Schallerzeugers zum Erzeugen der Anfangswelle in den Schallleitkanal hineinbewegbar ist.
Um eine möglichst genaue Überlagerung zweier Schallwellen zur Erzeugung einer konstruktiven Interferenz sicherstellen zu können, ist es vorteilhaft, wenn mittels der Steuereinheit - insbesondere in Abhängigkeit des ersten Zeitpunktes und/oder der Schallleitkanallänge zwischen Schallerzeuger und Schallverstärker - ein zweiter Zeitpunkt zum Ansteuern des nachgelagerten Schallverstärkers, d.h. insbesondere dessen Membran, bestimmter ist.
Zur Verstärkung der Lautstärke ist es vorteilhaft, wenn mittels der Steuereinheit der Schallverstärker, insbesondere zu dem zuvor von der Steuereinheit bestimmten zweiten Zeitpunkt, derart ansteuerbar ist, dass mittels diesem eine Überlagerungswelle erzeugbar ist, so dass aus der Anfangswelle und der Überlagerungswelle eine resultierende Welle mit im Vergleich zur Anfangswelle höherer Amplitude erzeugbar ist. Diesbezüglich ist es ferner vorteilhaft, wenn bei entsprechender Ansteuerung des Schallverstärkers dessen Membran und/oder zugeordneter Membranbereich zum Erzeugen der Überlagerungswelle in den Schallleitkanal hineinbewegbar ist.
Auch ist es vorteilhaft, wenn mittels der Steuereinheit zum zweiten Zeitpunkt auch noch die Membran des Schallerzeugers in den Schallleitkanal hineingedrückt bleibt, so dass vermieden wird, dass beim Auslenken des Schallverstärkers Luft zurück in Richtung des Schallerzeuger gedrückt wird. Hierdurch kann vorteilhafterweise das in Richtung der Schallaustrittsöffnung bewegte Luftvolumen erhöht werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die MEMS-Lautsprecheranordnung einen zweiten Schallverstärker auf. Hierdurch kann die bereits durch den ersten Schallverstärker verstärkte Schallwelle nochmals verstärkt werden. Diesbezüglich ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der zweite Schallverstärker dem ersten Schallverstärker in Richtung der Schallaustrittsöffnung nachgelagert ist. Hierdurch kann der zweite Schallverstärker auf die durch den ersten Schallverstärker verstärkten Schallwellen Einfluss nehmen.
Vorteilhaft ist es, wenn mittels der Steuereinheit zu einem, insbesondere von ihr bestimmten, dritten Zeitpunkt der Schallerzeuger derart ansteuerbar sind, dass dessen Membran wieder in ihre Ruhelage zurückbewegbar ist. Zusätzlich oder alternativ ist es ferner vorteilhaft, wenn die Membran des zweiten Schallverstärkers zum Erzeugen einer zweiten Überlagerungswelle in den Schallleitkanal hineinbewegbar ist, so dass aus der ersten resultierenden Welle und der zweiten Überlagerungswelle eine zweite resultierende Welle mit im Vergleich zur ersten resultierenden Welle höherer Amplitude erzeugbar ist. Zur Erzielung einer Blockadewirkung bleibt zum dritten Zeitpunkt der erste Schallverstärker vorzugsweise angesteuert.
Zur Erzielung einer konstruktiven Interferenz ist es vorteilhaft, wenn die Anfangswelle, die zumindest eine Überlagerungswelle und die zumindest eine resultierende Welle die gleiche Frequenz aufweisen.
Vorgeschlagen wird ferner ein Verfahren zum Betreiben einer MEMS-Lautsprecheranordnung gemäß der vorangegangenen Beschreibung, wobei die genannten Verfahrensmerkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:
Das Gehäuse 2 ist vorzugsweise mehrteilig ausgebildet, um die Montage der MEMS-Lautsprecher 3 zu erleichtern. Diesbezüglich ist es beispielsweise denkbar, dass das Gehäuse 2 ein insbesondere aus Silizium gefertigtes Gehäusemittelteil und/oder einen Gehäuserahmen umfasst, in dem die MEMS-Lautsprecher 3 form-, kraft- und/oder stoffschlüssig befestigt sind. Um einen geschlossenen Gehäuseinnenraum zu schaffen, kann das Gehäusemittelteil und/oder der Gehäuserahmen auf seiner Ober- und/oder Unterseite mit einem Deckel verschlossen sein. Um eine akustische Anregung des zumindest einen Deckels vermeiden zu können, ist es vorteilhaft, wenn dieser aus einem im Vergleich zum Gehäusemittelteil und/oder Gehäuserahmen steiferen Material, insbesondere einem Metall, einer Keramik und/oder einem Verbundwerkstoff, hergestellt ist.
Gemäß dem in
Auch ist es denkbar, dass zumindest zwei MEMS-Lautsprecher 3 nicht als, wie in
Die MEMS-Lautsprecher 3 sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nebeneinander angeordnet. Ihre Membranen 5 sind somit in dieselbe Richtung auslenkbar. Des Weiteren weisen die MEMS-Lautsprecher 3 zueinander äquidistante Abstände auf. Ihre jeweiligen Membranauslenkungsachsen 6, von denen zur Wahrung der Übersichtlichkeit jeweils nur eine dargestellt ist, sind zueinander parallel ausgerichtet. Des Weiteren sind die MEMS-Lautsprecher 3 derart im Inneren des Gehäuses 2 angeordnet, dass deren jeweilige Membranauslenkungsachse 6 lotrecht zur Längsachse 7 des Gehäuses 2 ausgerichtet ist.
Die MEMS-Lautsprecher 3 weisen einen gemeinsamen Schallleitkanal 8 auf. Dieser erstreckt sich gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel parallel zur Längsachse 7 des Gehäuses 2. Der Schallleitkanal 8 ist geradlinig ausgebildet und/oder parallel zur Längsachse 7 ausgerichtet. Des Weiteren ist der Schallleitkanal 8 vorzugsweise im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet. Er weist demnach ebene sich in Längsrichtung erstreckende Seitenwände auf. Des Weiteren weist der Schallleitkanal 8 über seine gesamte Länge eine konstante Höhe und/oder Breite auf.
Die MEMS-Lautsprecher 3 sind längs des Schallleitkanals 8 hintereinander angeordnet. Die Membranauslenkungsachsen 6 der MEMS-Lautsprecher 3 erstrecken sich demnach quer zum gemeinsamen Schallleitkanal 8.
Wie aus dem in
Das Gehäuse 2 weist eine Schallaustrittsöffnung 10 auf. Sie ist am Ende des gemeinsamen Schallleitkanals 8 angeordnet, so dass alle MEMS-Lautsprecher 3 eine einzige Schallaustrittsöffnung 10 teilen. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die gemeinsame Schallaustrittsöffnung 10 an einer Stirnseite 11 des im Wesentlichen quaderförmigen Gehäuses angeordnet.
Gemäß der vorangegangenen Beschreibung sind die MEMS-Lautsprecher 3 somit derart über die Länge des gemeinsamen Schallleitkanals 8 verteilt angeordnet, dass diese zur gemeinsamen Schallaustrittsöffnung 10 unterschiedlich lange Schallleitkanalabschnitte aufweisen. So ist die Länge des Abschnitts des Schallleitkanals 8 zwischen dem abbildungsgemäßen linken MEMS-Lautsprecher 3 und der Schallaustrittsöffnung 10 größer als der Abschnitt des Schallleitkanals 8 zwischen dem mittleren und/oder rechten MEMS-Lautsprecher 3 und der gemeinsamen Schallaustrittsöffnung 10. Die vom linken MEMS-Lautsprecher 3 erzeugten Schallwellen müssen demnach im Vergleich zu den anderen MEMS-Lautsprechern 3 eine längere Strecke im Schallleitkanal 8 zurücklegen, um zur gemeinsamen Schallaustrittsöffnung 10 zu gelangen.
Die MEMS-Lautsprecher 3 sind über eine hier nicht dargestellte Steuereinheit derart ansteuerbar, dass eine vom ersten, insbesondere am weitesten von der Schallaustrittsöffnung 10 entfernten, MEMS-Lautsprecher 3 erzeugte Schallwelle durch die ihm nachgelagerten MEMS-Lautsprecher 3 verstärkt wird. Infolgedessen weist die MEMS-Lautsprecheranordnung 1 zumindest einen als Schallerzeuger 12 und Schallverstärker 13, 14 ausgebildeten MEMS-Lautsprecher 3 auf. Gemäß dem in
Die Funktionsweise der MEMS-Lautsprecheranordnung 1 zur Erhöhung der Maximallautstärke ist in den
Der hier nicht dargestellten Steuereinheit sind mehrere Parameter bezüglich der räumlichen und/oder körperlichen Ausgestaltung des gemeinsamen Schallleitkanals 8 und/oder der MEMS-Lautsprecher 3 bekannt. Die Steuereinheit ist somit in der Lage, insbesondere in Abhängigkeit des ersten Zeitpunkts und/oder der Schallkanallänge zwischen Schallerzeuger 12 und erstem Schallverstärker 13, einen zweiten Zeitpunkt zum Ansteuern des dem Schallerzeuger 12 nachgeschalteten ersten Schallverstärkers 13 zu bestimmen.
Dieser zweite Zeitpunkt ist gemäß
In
Gemäß
Analog zur vorangegangenen Beschreibung bleibt auch bei dieser zweiten Verstärkung während der Auslenkung des zweiten Schallverstärkers 14 der erste Schallverstärker 13 angesteuert, so dass dessen Membran als Blockade wirkt. Somit kann die Luft nicht zurück in den Schallleitkanal 8 strömen, sondern wird in Richtung der Schallaustrittsöffnung 10 gedrückt.
Zugleich wird, wie in
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind.
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.