專利名稱：一種與眼鏡集成的多功能壓電骨導耳機與觸控力反饋系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及骨導式耳機以及觸控力反饋技術領域，具體涉及一種與眼鏡集成的多功能壓電骨導耳機與觸控力反饋系統。
背景技術：
眼鏡也是現代人常用的工具，不僅用于矯正視力，而且眼鏡還以物質和藝術的結合，通過有形的方式體現佩戴者的身份、社會地位、思想觀念、興趣愛好等。據有關資料統計，截至2008年，中國眼睛近視的有2. 6億人；此外，遠視、弱視、散光等眼疾都需要佩戴眼鏡，墨鏡、變色鏡、甚至無鏡片眼鏡等休閑眼鏡也越來越受到人們的喜愛。隨著科技的進步和人們生活水平的提高，耳機成為了人們日常生活中必不可少的電子消費品。耳機主要分為耳塞式，入耳式，頭戴式，掛耳式，隨著科技的發展，又出現了藍牙耳機。藍牙耳機就是將藍牙技術應用在免持耳機上，讓使用者可以免除惱人電線的牽絆，自在地以各種方式輕松通話、聽音樂等，因為人的頭部遠離電子設備，還可以避免電磁輻射對人類健康的影響。然而，藍牙耳機依然無法回避與人耳的連接問題，連接方式仍然不外乎耳塞式，入耳式，頭戴式，掛耳式等幾種。但是，由于這種傳統的耳機佩戴方式比較生硬，長時間戴這種傳統佩戴方式的耳機難免給人疲勞和不舒適之感。由于眼鏡是雙耳與鼻梁三點式支持，耳朵僅僅起到輔助支撐的作用，所以戴眼鏡引起的疲勞和不舒適感遠遠低于耳機。美國GOOGLE公司在2012年初曾發布一款稱之為Project Glass環繞式眼鏡。該款眼鏡可將信息傳送至鏡片，并且允許穿戴用戶通過聲音控制收發信息。該眼鏡還有一款內置攝像頭，可以進行視頻 錄制及照片拍攝。將本專利的技術應用于類似的產品中將可在提供視頻支持的眼鏡中同時提供音頻支持，實現真正意義上的多媒體通訊。壓電材料是種非常特殊的物質，當壓電晶體或壓電材料受到外力而發生形變時，在它的某些表面上出現與外力成線性比例的電荷累積，這個現象稱為壓電效應。而當壓電晶體或壓電材料受到外電場的作用時，壓電晶體或壓電材料產生于電場強度成線性關系的機械形變，這個現象稱為逆壓電效應。由于壓電材料的這些特性，其已經開始應用于揚聲器及觸摸屏技術中。聲波的振動，通過兩種路徑傳遞到聽神經，一條是氣傳導，這也是通常情況下占絕對優勢的路徑；另一條是骨傳導，在通常情況下對聽覺的形成微不足道。骨傳導繞開了外耳和中耳，聲波經顱骨直接傳入內耳，有移動式和擠壓式二種方式，二者協同可刺激螺旋器引起聽覺。骨傳導途徑聲波一顱骨一骨迷路一內耳淋巴液一螺旋器一聽神經一大腦皮層聽覺中樞。目前骨傳導產品和人體接觸部分有許多，如牙齒、肩部、耳骨、后腦、乳突等。就工作原理為標準，主流骨傳導揚聲器可分為三大類，電磁式、壓電式及磁致伸縮式，迄今為止，骨傳導裝置的機電轉換器主要是電磁型的，主要結構為軛鐵、音圈、磁鐵及振動膜。應用和電動揚聲器相同的原理，將通過線圈的電流和磁鐵之間的相互作用產生的驅動力轉化成機械振動。但是電磁型機電轉化器具有轉化效率低及低頻區域輸出電平不足的缺點。壓電式機電轉換器，聲振動發生元件為單(雙)壓電晶片元件，由金屬板和粘合在其上的壓電板構成。由于機械振動是由電壓而非電流引起的壓電變形驅動的，故不會伴隨有電磁型中線圈產生的焦耳熱損耗。此外，由于不需要金屬部件(磁鐵和軛)，可以實現重量輕和型面薄。專利CN1656849A(2003. 5. 27，日本TEMC0，電磁式)公布了一種電磁式骨導揚聲器，經由設于磁軛周緣的立起部上面和振動板上的卡止結構將振動板固定在立起部上面，從而在充分確保音圈的圈數，不會降低效率的前提下，能夠整體地形成小徑，能夠充分滿足便攜電話等小型化要求。專利CN1627864A ((2004. 12. 1，日本NEC，壓電式)公開了一種壓電式骨導揚聲器，作為聲振動元件的單壓電晶片元件包括金屬板和粘合其上的壓電陶瓷壓電板，為了改善頻響，在壓電元件表面覆著硅橡膠柔性材料。專利CN1656849A所提 出的電磁式骨導揚聲器雖然廣泛應用，但其缺點也比較明顯，如當電流通過線圈時，線圈的電阻會不可避免的產生能量損耗。因此，電源提供的大部分能量作為焦耳熱量，消耗在線圈上，而只有1%的能量用作聲能。此外，在低頻區，由于阻抗低，所以電流會過高，從而使電源的負荷增加。結果，聲音輸出電平不可避免地限制在低頻區域。這樣，在低頻區域，聲音輸出電平不足。專利CN1627864A所提出的壓電骨導器件具有高阻抗和高輸入電壓，諧振頻率較高，使得低頻區域的再現不充分；此外，由于振動系統的機械品質因數很高，在特定頻率上振動的產生被加強或削弱。從而不能自然正常地執行聲音再現。為了更好的降低系統的諧振頻率，需要增加壓電元件所構成的振動系統的長度，增加系統的順性(也即降低彎曲模量K)。基于此，本專利提出了將壓電元件與眼鏡的鏡腿集成為骨導揚聲器的新結構。利用眼鏡的鏡腿的細長結構，作為壓電元件的載體，可以很好的降低系統的諧振頻率，改善低頻部分的音響重放效果。同時，利用眼鏡腿與人體頭部尤其是顳骨乳突部位的接觸，可以很好實現低損耗下的骨傳導。而且，配合專用的壓電元件驅動電路，本專利所實現的壓電骨傳導耳機的功耗僅僅為傳統電磁式骨傳導耳機的109Γ20%，在相同工作時間下，可以減小電池部分的容量，有利于實現眼鏡整體的輕量化和小型化。借助壓電材料的壓電效應，當存在外部作用力施加在壓電元件的表面時，將會在壓電元件的兩個不同面上產生電荷的積累，形成電壓信號。公布于2002年3月19日、申請號為US6359371B1的美國國專利申請(慣性/聲學單元及其結構-1NERTIAL/AUDIO UNIT AND CONSTRUCTION)提供了一種結構，該組合裝置包括一個可以將電信號轉換為振動信號的兀件(如壓電或鐵電材料)，振動器與其應用的殼體連接將振動傳至殼體使得殼體振動；同時信號單元也可以將外部壓力轉換為電信號從而實現開關和控制功能。然而，此專利所涉及的系統只能實現簡單的開關信號，和振動信號；無法實現寬帶的音頻重放和與壓力大小相關的觸控力-電信號轉換。發明內容本實用新型的目的是鑒于已有技術的不足，針對性地提出一種與眼鏡集成的多功能壓電骨導耳機與觸控力反饋系統。該系統包括眼鏡框基體，還包括固定于眼鏡框基體的眼鏡腿根部的集成式壓電驅動和力反饋信號處理電路板和供電模塊(如鋰電池);固定于眼鏡腿凹槽中的壓電材料；涂覆于壓電材料表面的上電極層和下電極層；連接上電極層、下電極層和集成式壓電驅動和力反饋信號處理電路板的柔性電路；集成式壓電驅動和力反饋信號處理電路板通過接收音頻信號，并通過柔性電路向壓電材料的上電極層和下電極層施加電壓信號；由于逆壓電效應，壓電材料發生與聲音電信號同頻的振動，進而帶動眼鏡腿一起振動，眼鏡腿的振動傳入與之接觸的人體面部(如顳骨乳突)，聲音通過骨傳導被人的聽神經感知，產生聽感。所述的壓電材料在受外力(或通過眼鏡腿表面殼體按鍵傳遞的壓力)時，會產生對應的感應電信號，該信號可以被連接到眼鏡框架上的內置集成電路處理為對應的力反饋觸控信號，用于實現功能選擇和切換等控制功能。為了實現驅動電路的信號和力反饋檢測電路信號共用一組信號連線；可以通過隔直電路(如隔直電容)將用于驅動的交流信號(20Hf20kHz)傳遞到壓電材料上。而信號監測電路通過檢測信號線上的直流偏置`(當壓電材料受壓時，會因受壓程度產生不同的直流偏置電壓)判斷施加在壓電材料上的按鍵壓力，從而實現對控制指令的解析。所述壓電材料為陶瓷類材料如PZT，或壓電有機高分子材料如PVDF薄膜。所述上電極層為條形或矩形陣列分布的分塊或分區結構，并分別設置成不同的功能區。條形可以是規則的長條形或是與眼鏡腿外形相適應的彎曲條形；分塊或分區排布上電極層感知手指接觸力的位置、強度、時間值信息，并分別設置成不同的功能區，例如播放/暫停，上一首，下一首，增加音量，降低音量。所述壓電材料為單層或多層復合結構；其中，所述多層復合結構采用單層材料粘接構成多層，或采用低溫共燒技術直接形成多層結構。所述放置壓電材料的眼鏡腿凹槽上設置上蓋。所述集成式壓電驅動和力反饋信號處理電路板與壓電材料位于同一側的眼鏡腿上或分別位于兩根眼鏡腿上。所述壓電材料與眼鏡框基體之間通過焊接、鑲嵌、模內注塑或膠黏結方式實現機械連接，從而將由壓電材料產生的機械振動形變傳遞到整個眼鏡腿。所述柔性電路為銀導電膠、引線、FPC或柔性導電帶，其接觸電阻小于5歐姆。所述集成式壓電驅動和力反饋信號處理電路板共用一組信號線實現驅動和信號檢測功能。所述集成式壓電驅動和力反饋信號處理電路板中包含有線或無線(如藍牙，WIFI等)音頻接受和控制指令發送功能模塊。所述眼鏡，包括但不限于以下種類的眼鏡近視鏡，老花鏡，太陽鏡，護目鏡，以及具有投射顯示功能的眼鏡類產品。本實用新型的有益效果為繼承了眼鏡與耳機的功能，空間利用率高，對外干擾低、結構簡單、成本低、體積小、佩戴舒適，極具市場競爭力。通過分區塊的方式，可以設置多個功能的按鍵；通過結構按鍵壓觸壓電元件可以產生相應的電脈沖信號，實現電路的功能切換。同時，專利的鏡腿和壓電元件構成的懸臂結構，具有極佳的線性；也即可以通過電信號電壓的高低直接反應壓力的大小。這將極大的豐富按鍵的觸控功能，實現類似汽車油門深淺的模擬量控制功能。這在具備圖像控制的投影視頻眼鏡中將可以實現圖像連續且平順的放大/縮小功能。
圖1 (a)、圖1 (b)和圖1 (C)分別為實施例1的示意圖、A局部放大圖和B-B剖視圖；圖2 (a)、圖2 (b)和圖2 (C)分別為實施例2的示意圖、C局部放大圖和D-D剖視圖；圖中標號1-眼鏡框基體；2_集成式壓電驅動和力反饋信號處理電路板；3_壓電材料；4-上電極層；5-下電極層；6_柔性電路；7_上蓋。
具體實施方式本實用新型提供了一種與眼鏡集成的多功能壓電骨導耳機與觸控力反饋系統，
以下結合附圖說明和具體實施方式
對本實用新型做進一步說明。實施例1圖1 (a)、圖1 (b)和圖1 (C)分別是本實用新型實施例1的示意圖、局部放大圖和剖視圖，集成式壓電驅動和力反饋信號處理電路板2用AB膠等膠水或者螺釘固定于眼鏡框基體I的眼鏡腿根部位置，壓電材料3用AB膠等膠水固定于眼鏡腿凹槽中部位置，上電極層4和下電極層5涂覆于壓電材料3表面，柔性電路6連接上電極層4、下電極層5和集成式壓電驅動和力反饋信號處理電路板2，眼鏡腿凹槽有上蓋7，用于隔離并保護壓電材料3。集成式壓電驅動和力反饋信號處理電路板2的驅動電路部分采用專用壓電驅動電路T1-TPA2100P1，此款芯片可以使用2. 5疒5. 5V的電池供電，提供最高至19Vpp的輸出信號驅動壓電材料。驅動電路的信號通過隔直電路(如隔直電容)將交流信號傳遞到壓電材料3上。而信號監測電路通過檢測信號線上的直流偏置(當壓電材料受壓時，會因受壓程度產生不同的直流偏置電壓)判斷施加在壓電材料上的按鍵壓力，從而實現對控制指令的解析。力反饋信號處理電路板使用AD823搭建的電荷放大電路即可完成。為獲得較好的柔性和降低驅動電壓(使用不超過20Vpp的驅動電壓對于人體比較安全)，壓電材料3選用O.1mm厚、5層PZT陶瓷(每層厚度為20um)，陶瓷寬度尺寸為2mm，長30_。為提高驅動效率，陶瓷材料宜選取d31系數較高的材料。柔性電路6采用銀導電膠，為保證驅動的可靠性，接觸電阻應小于5歐姆；另一種連接方式是使用導電網布材料(如TESA導電帶)將上電極層4、下電極層5和集成式壓電驅動和力反饋信號處理電路板2直接連接。集成式壓電驅動和力反饋信號處理電路板2通過接收音頻信號，并通過柔性電路6向壓電材料3的上電極層4和下電極層5施加電壓信號；由于逆壓電效應，壓電材料3發生與聲音電信號同頻的振動，進而帶動眼鏡腿一起振動，眼鏡腿的振動傳入與之接觸的人體面部，聲音通過骨傳導被人的聽神經感知，產生聽感；壓電材料3在受外力時，產生對應的感應電信號，被集成式壓電驅動和力反饋信號處理電路板2處理為對應的力反饋觸控信號，用于實現功能選擇和切換等控制功能。實施例2圖2 (a)、圖2 (b)和圖2 (C)分別是本實用新型實施例2的示意圖、局部放大圖和剖視圖，其于實施例1的不同之處在于，所述上電極層4是條形分塊結構，包括4a，4b，4c三個分區，這種電極排布方式可以感知手指接觸力的位置、強度、時間值等信息，每塊電極都可以設置成不同的功能區，例如播放/暫停，上一首，下一首，增加音量，降低音量等。以上只是本實用新型的較優的實施例，本領域技術人員可在權利要求規定的范圍內作出 任意修改。
權利要求1.一種與眼鏡集成的多功能壓電骨導耳機與觸控力反饋系統，包括眼鏡框基體(1)， 其特征在于，該系統還包括固定于眼鏡框基體(I)的眼鏡腿根部的集成式壓電驅動和力反饋信號處理電路板(2) 和供電模塊，固定于眼鏡腿凹槽中的壓電材料(3)，涂覆于壓電材料(3 )表面的上電極層(4)和下電極層(5 )，連接上電極層(4)、下電極層(5)和集成式壓電驅動和力反饋信號處理電路板(2)的柔性電路(6)。
2.根據權利要求1所述的一種與眼鏡集成的多功能壓電骨導耳機與觸控力反饋系統， 其特征在于，所述壓電材料(3)為陶瓷類材料或壓電有機高分子材料。
3.根據權利要求1所述的一種與眼鏡集成的多功能壓電骨導耳機與觸控力反饋系統， 其特征在于，所述上電極層(4)為條形或矩形陣列分布的分塊或分區結構，并分別設置成不同的功能區。
4.根據權利要求1所述的一種與眼鏡集成的多功能壓電骨導耳機與觸控力反饋系統， 其特征在于，所述壓電材料(3)為單層或多層復合結構；其中，所述多層復合結構采用單層材料粘接構成多層，或采用低溫共燒技術直接形成多層結構。
5.根據權利要求1所述的一種與眼鏡集成的多功能壓電骨導耳機與觸控力反饋系統， 其特征在于，所述放置壓電材料(3)的眼鏡腿凹槽上設置上蓋(J)。
6.根據權利要求1所述的一種與眼鏡集成的多功能壓電骨導耳機與觸控力反饋系統， 其特征在于，所述集成式壓電驅動和力反饋信號處理電路板(2)與壓電材料(3)位于同一側的眼鏡腿上或分別位于兩根眼鏡腿上。
7.根據權利要求1所述的一種與眼鏡集成的多功能壓電骨導耳機與觸控力反饋系統， 其特征在于，所述壓電材料(3)與眼鏡框基體(I)之間通過焊接、鑲嵌、模內注塑或膠黏結方式實現機械連接。
8.根據權利要求1所述的一種與眼鏡集成的多功能壓電骨導耳機與觸控力反饋系統， 其特征在于，所述柔性電路(6)為銀導電膠、引線、FPC或柔性導電帶，其接觸電阻小于5歐姆。
9.根據權利要求1所述的一種與眼鏡集成的多功能壓電骨導耳機與觸控力反饋系統， 其特征在于，所述集成式壓電驅動和力反饋信號處理電路板(2)共用一組信號線實現驅動和信號檢測功能。
10.根據權利要求1所述的一種與眼鏡集成的多功能壓電骨導耳機與觸控力反饋系統，其特征在于，所述集成式壓電驅動和力反饋信號處理電路板(2)中包含有線或無線音頻接受和控制指令發送功能模塊。
專利摘要一種與眼鏡集成的多功能壓電骨導耳機與觸控力反饋系統涉及骨導式耳機以及觸控力反饋技術領域。該系統包括眼鏡框基體，固定于眼鏡腿根部的集成式壓電驅動和力反饋信號處理電路板和供電模塊；固定于眼鏡腿凹槽中的壓電材料；涂覆于壓電材料表面的上電極層和下電極層；連接電極層和電路板的柔性電路。電路板通過接收音頻信號，并向壓電材料的電極層施加電壓信號；由于逆壓電效應，壓電材料發生與聲音電信號同頻的振動，帶動眼鏡腿一起振動，眼鏡腿的振動傳入與之接觸的人體面部，聲音通過骨傳導被人的聽神經感知，產生聽感；壓電材料在受外力時，產生對應的感應電信號，被電路板處理為對應的力反饋觸控信號，用于實現功能選擇和切換等控制功能。
文檔編號H04R17/00GK202889620SQ20122059185
公開日2013年4月17日 申請日期2012年11月10日 優先權日2012年11月10日
發明者袁世明, 張韜, 李莉 申請人:精拓麗音科技(北京)有限公司