专利名称：一种与眼镜集成的多功能压电骨导耳机与触控力反馈系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及骨导式耳机以及触控力反馈技术领域，具体涉及一种与眼镜集成的多功能压电骨导耳机与触控力反馈系统。
背景技术：
眼镜也是现代人常用的工具，不仅用于矫正视力，而且眼镜还以物质和艺术的结合，通过有形的方式体现佩戴者的身份、社会地位、思想观念、兴趣爱好等。据有关资料统计，截至2008年，中国眼睛近视的有2. 6亿人；此外，远视、弱视、散光等眼疾都需要佩戴眼镜，墨镜、变色镜、甚至无镜片眼镜等休闲眼镜也越来越受到人们的喜爱。随着科技的进步和人们生活水平的提高，耳机成为了人们日常生活中必不可少的电子消费品。耳机主要分为耳塞式，入耳式，头戴式，挂耳式，随着科技的发展，又出现了蓝牙耳机。蓝牙耳机就是将蓝牙技术应用在免持耳机上，让使用者可以免除恼人电线的牵绊，自在地以各种方式轻松通话、听音乐等，因为人的头部远离电子设备，还可以避免电磁辐射对人类健康的影响。然而，蓝牙耳机依然无法回避与人耳的连接问题，连接方式仍然不外乎耳塞式，入耳式，头戴式，挂耳式等几种。但是，由于这种传统的耳机佩戴方式比较生硬，长时间戴这种传统佩戴方式的耳机难免给人疲劳和不舒适之感。由于眼镜是双耳与鼻梁三点式支持，耳朵仅仅起到辅助支撑的作用，所以戴眼镜引起的疲劳和不舒适感远远低于耳机。美国GOOGLE公司在2012年初曾发布一款称之为Project Glass环绕式眼镜。该款眼镜可将信息传送至镜片，并且允许穿戴用户通过声音控制收发信息。该眼镜还有一款内置摄像头，可以进行视频 录制及照片拍摄。将本专利的技术应用于类似的产品中将可在提供视频支持的眼镜中同时提供音频支持，实现真正意义上的多媒体通讯。压电材料是种非常特殊的物质，当压电晶体或压电材料受到外力而发生形变时，在它的某些表面上出现与外力成线性比例的电荷累积，这个现象称为压电效应。而当压电晶体或压电材料受到外电场的作用时，压电晶体或压电材料产生于电场强度成线性关系的机械形变，这个现象称为逆压电效应。由于压电材料的这些特性，其已经开始应用于扬声器及触摸屏技术中。声波的振动，通过两种路径传递到听神经，一条是气传导，这也是通常情况下占绝对优势的路径；另一条是骨传导，在通常情况下对听觉的形成微不足道。骨传导绕开了外耳和中耳，声波经颅骨直接传入内耳，有移动式和挤压式二种方式，二者协同可刺激螺旋器引起听觉。骨传导途径声波一颅骨一骨迷路一内耳淋巴液一螺旋器一听神经一大脑皮层听觉中枢。目前骨传导产品和人体接触部分有许多，如牙齿、肩部、耳骨、后脑、乳突等。就工作原理为标准，主流骨传导扬声器可分为三大类，电磁式、压电式及磁致伸缩式，迄今为止，骨传导装置的机电转换器主要是电磁型的，主要结构为轭铁、音圈、磁铁及振动膜。应用和电动扬声器相同的原理，将通过线圈的电流和磁铁之间的相互作用产生的驱动力转化成机械振动。但是电磁型机电转化器具有转化效率低及低频区域输出电平不足的缺点。压电式机电转换器，声振动发生元件为单(双)压电晶片元件，由金属板和粘合在其上的压电板构成。由于机械振动是由电压而非电流引起的压电变形驱动的，故不会伴随有电磁型中线圈产生的焦耳热损耗。此外，由于不需要金属部件(磁铁和轭)，可以实现重量轻和型面薄。专利CN1656849A(2003. 5. 27，日本TEMC0，电磁式)公布了一种电磁式骨导扬声器，经由设于磁轭周缘的立起部上面和振动板上的卡止结构将振动板固定在立起部上面，从而在充分确保音圈的圈数，不会降低效率的前提下，能够整体地形成小径，能够充分满足便携电话等小型化要求。专利CN1627864A ((2004. 12. 1，日本NEC，压电式)公开了一种压电式骨导扬声器，作为声振动元件的单压电晶片元件包括金属板和粘合其上的压电陶瓷压电板，为了改善频响，在压电元件表面覆着硅橡胶柔性材料。专利CN1656849A所提 出的电磁式骨导扬声器虽然广泛应用，但其缺点也比较明显，如当电流通过线圈时，线圈的电阻会不可避免的产生能量损耗。因此，电源提供的大部分能量作为焦耳热量，消耗在线圈上，而只有1%的能量用作声能。此外，在低频区，由于阻抗低，所以电流会过高，从而使电源的负荷增加。结果，声音输出电平不可避免地限制在低频区域。这样，在低频区域，声音输出电平不足。专利CN1627864A所提出的压电骨导器件具有高阻抗和高输入电压，谐振频率较高，使得低频区域的再现不充分；此外，由于振动系统的机械品质因数很高，在特定频率上振动的产生被加强或削弱。从而不能自然正常地执行声音再现。为了更好的降低系统的谐振频率，需要增加压电元件所构成的振动系统的长度，增加系统的顺性(也即降低弯曲模量K)。基于此，本专利提出了将压电元件与眼镜的镜腿集成为骨导扬声器的新结构。利用眼镜的镜腿的细长结构，作为压电元件的载体，可以很好的降低系统的谐振频率，改善低频部分的音响重放效果。同时，利用眼镜腿与人体头部尤其是颞骨乳突部位的接触，可以很好实现低损耗下的骨传导。而且，配合专用的压电元件驱动电路，本专利所实现的压电骨传导耳机的功耗仅仅为传统电磁式骨传导耳机的109Γ20%，在相同工作时间下，可以减小电池部分的容量，有利于实现眼镜整体的轻量化和小型化。借助压电材料的压电效应，当存在外部作用力施加在压电元件的表面时，将会在压电元件的两个不同面上产生电荷的积累，形成电压信号。公布于2002年3月19日、申请号为US6359371B1的美国国专利申请(惯性/声学单元及其结构-1NERTIAL/AUDIO UNIT AND CONSTRUCTION)提供了一种结构，该组合装置包括一个可以将电信号转换为振动信号的兀件(如压电或铁电材料)，振动器与其应用的壳体连接将振动传至壳体使得壳体振动；同时信号单元也可以将外部压力转换为电信号从而实现开关和控制功能。然而，此专利所涉及的系统只能实现简单的开关信号，和振动信号；无法实现宽带的音频重放和与压力大小相关的触控力-电信号转换。发明内容本实用新型的目的是鉴于已有技术的不足，针对性地提出一种与眼镜集成的多功能压电骨导耳机与触控力反馈系统。该系统包括眼镜框基体，还包括固定于眼镜框基体的眼镜腿根部的集成式压电驱动和力反馈信号处理电路板和供电模块(如锂电池);固定于眼镜腿凹槽中的压电材料；涂覆于压电材料表面的上电极层和下电极层；连接上电极层、下电极层和集成式压电驱动和力反馈信号处理电路板的柔性电路；集成式压电驱动和力反馈信号处理电路板通过接收音频信号，并通过柔性电路向压电材料的上电极层和下电极层施加电压信号；由于逆压电效应，压电材料发生与声音电信号同频的振动，进而带动眼镜腿一起振动，眼镜腿的振动传入与之接触的人体面部(如颞骨乳突)，声音通过骨传导被人的听神经感知，产生听感。所述的压电材料在受外力(或通过眼镜腿表面壳体按键传递的压力)时，会产生对应的感应电信号，该信号可以被连接到眼镜框架上的内置集成电路处理为对应的力反馈触控信号，用于实现功能选择和切换等控制功能。为了实现驱动电路的信号和力反馈检测电路信号共用一组信号连线；可以通过隔直电路(如隔直电容)将用于驱动的交流信号(20Hf20kHz)传递到压电材料上。而信号监测电路通过检测信号线上的直流偏置`(当压电材料受压时，会因受压程度产生不同的直流偏置电压)判断施加在压电材料上的按键压力，从而实现对控制指令的解析。所述压电材料为陶瓷类材料如PZT，或压电有机高分子材料如PVDF薄膜。所述上电极层为条形或矩形阵列分布的分块或分区结构，并分别设置成不同的功能区。条形可以是规则的长条形或是与眼镜腿外形相适应的弯曲条形；分块或分区排布上电极层感知手指接触力的位置、强度、时间值信息，并分别设置成不同的功能区，例如播放/暂停，上一首，下一首，增加音量，降低音量。所述压电材料为单层或多层复合结构；其中，所述多层复合结构采用单层材料粘接构成多层，或采用低温共烧技术直接形成多层结构。所述放置压电材料的眼镜腿凹槽上设置上盖。所述集成式压电驱动和力反馈信号处理电路板与压电材料位于同一侧的眼镜腿上或分别位于两根眼镜腿上。所述压电材料与眼镜框基体之间通过焊接、镶嵌、模内注塑或胶黏结方式实现机械连接，从而将由压电材料产生的机械振动形变传递到整个眼镜腿。所述柔性电路为银导电胶、引线、FPC或柔性导电带，其接触电阻小于5欧姆。所述集成式压电驱动和力反馈信号处理电路板共用一组信号线实现驱动和信号检测功能。所述集成式压电驱动和力反馈信号处理电路板中包含有线或无线(如蓝牙，WIFI等)音频接受和控制指令发送功能模块。所述眼镜，包括但不限于以下种类的眼镜近视镜，老花镜，太阳镜，护目镜，以及具有投射显示功能的眼镜类产品。本实用新型的有益效果为继承了眼镜与耳机的功能，空间利用率高，对外干扰低、结构简单、成本低、体积小、佩戴舒适，极具市场竞争力。通过分区块的方式，可以设置多个功能的按键；通过结构按键压触压电元件可以产生相应的电脉冲信号，实现电路的功能切换。同时，专利的镜腿和压电元件构成的悬臂结构，具有极佳的线性；也即可以通过电信号电压的高低直接反应压力的大小。这将极大的丰富按键的触控功能，实现类似汽车油门深浅的模拟量控制功能。这在具备图像控制的投影视频眼镜中将可以实现图像连续且平顺的放大/缩小功能。
图1 (a)、图1 (b)和图1 (C)分别为实施例1的示意图、A局部放大图和B-B剖视图；图2 (a)、图2 (b)和图2 (C)分别为实施例2的示意图、C局部放大图和D-D剖视图；图中标号1-眼镜框基体；2_集成式压电驱动和力反馈信号处理电路板；3_压电材料；4-上电极层；5-下电极层；6_柔性电路；7_上盖。
具体实施方式本实用新型提供了一种与眼镜集成的多功能压电骨导耳机与触控力反馈系统，
以下结合附图说明和具体实施方式
对本实用新型做进一步说明。实施例1图1 (a)、图1 (b)和图1 (C)分别是本实用新型实施例1的示意图、局部放大图和剖视图，集成式压电驱动和力反馈信号处理电路板2用AB胶等胶水或者螺钉固定于眼镜框基体I的眼镜腿根部位置，压电材料3用AB胶等胶水固定于眼镜腿凹槽中部位置，上电极层4和下电极层5涂覆于压电材料3表面，柔性电路6连接上电极层4、下电极层5和集成式压电驱动和力反馈信号处理电路板2，眼镜腿凹槽有上盖7，用于隔离并保护压电材料3。集成式压电驱动和力反馈信号处理电路板2的驱动电路部分采用专用压电驱动电路T1-TPA2100P1，此款芯片可以使用2. 5疒5. 5V的电池供电，提供最高至19Vpp的输出信号驱动压电材料。驱动电路的信号通过隔直电路(如隔直电容)将交流信号传递到压电材料3上。而信号监测电路通过检测信号线上的直流偏置(当压电材料受压时，会因受压程度产生不同的直流偏置电压)判断施加在压电材料上的按键压力，从而实现对控制指令的解析。力反馈信号处理电路板使用AD823搭建的电荷放大电路即可完成。为获得较好的柔性和降低驱动电压(使用不超过20Vpp的驱动电压对于人体比较安全)，压电材料3选用O.1mm厚、5层PZT陶瓷(每层厚度为20um)，陶瓷宽度尺寸为2mm，长30_。为提高驱动效率，陶瓷材料宜选取d31系数较高的材料。柔性电路6采用银导电胶，为保证驱动的可靠性，接触电阻应小于5欧姆；另一种连接方式是使用导电网布材料(如TESA导电带)将上电极层4、下电极层5和集成式压电驱动和力反馈信号处理电路板2直接连接。集成式压电驱动和力反馈信号处理电路板2通过接收音频信号，并通过柔性电路6向压电材料3的上电极层4和下电极层5施加电压信号；由于逆压电效应，压电材料3发生与声音电信号同频的振动，进而带动眼镜腿一起振动，眼镜腿的振动传入与之接触的人体面部，声音通过骨传导被人的听神经感知，产生听感；压电材料3在受外力时，产生对应的感应电信号，被集成式压电驱动和力反馈信号处理电路板2处理为对应的力反馈触控信号，用于实现功能选择和切换等控制功能。实施例2图2 (a)、图2 (b)和图2 (C)分别是本实用新型实施例2的示意图、局部放大图和剖视图，其于实施例1的不同之处在于，所述上电极层4是条形分块结构，包括4a，4b，4c三个分区，这种电极排布方式可以感知手指接触力的位置、强度、时间值等信息，每块电极都可以设置成不同的功能区，例如播放/暂停，上一首，下一首，增加音量，降低音量等。以上只是本实用新型的较优的实施例，本领域技术人员可在权利要求规定的范围内作出 任意修改。
权利要求1.一种与眼镜集成的多功能压电骨导耳机与触控力反馈系统，包括眼镜框基体(1)， 其特征在于，该系统还包括固定于眼镜框基体(I)的眼镜腿根部的集成式压电驱动和力反馈信号处理电路板(2) 和供电模块，固定于眼镜腿凹槽中的压电材料(3)，涂覆于压电材料(3 )表面的上电极层(4)和下电极层(5 )，连接上电极层(4)、下电极层(5)和集成式压电驱动和力反馈信号处理电路板(2)的柔性电路(6)。
2.根据权利要求1所述的一种与眼镜集成的多功能压电骨导耳机与触控力反馈系统， 其特征在于，所述压电材料(3)为陶瓷类材料或压电有机高分子材料。
3.根据权利要求1所述的一种与眼镜集成的多功能压电骨导耳机与触控力反馈系统， 其特征在于，所述上电极层(4)为条形或矩形阵列分布的分块或分区结构，并分别设置成不同的功能区。
4.根据权利要求1所述的一种与眼镜集成的多功能压电骨导耳机与触控力反馈系统， 其特征在于，所述压电材料(3)为单层或多层复合结构；其中，所述多层复合结构采用单层材料粘接构成多层，或采用低温共烧技术直接形成多层结构。
5.根据权利要求1所述的一种与眼镜集成的多功能压电骨导耳机与触控力反馈系统， 其特征在于，所述放置压电材料(3)的眼镜腿凹槽上设置上盖(J)。
6.根据权利要求1所述的一种与眼镜集成的多功能压电骨导耳机与触控力反馈系统， 其特征在于，所述集成式压电驱动和力反馈信号处理电路板(2)与压电材料(3)位于同一侧的眼镜腿上或分别位于两根眼镜腿上。
7.根据权利要求1所述的一种与眼镜集成的多功能压电骨导耳机与触控力反馈系统， 其特征在于，所述压电材料(3)与眼镜框基体(I)之间通过焊接、镶嵌、模内注塑或胶黏结方式实现机械连接。
8.根据权利要求1所述的一种与眼镜集成的多功能压电骨导耳机与触控力反馈系统， 其特征在于，所述柔性电路(6)为银导电胶、引线、FPC或柔性导电带，其接触电阻小于5欧姆。
9.根据权利要求1所述的一种与眼镜集成的多功能压电骨导耳机与触控力反馈系统， 其特征在于，所述集成式压电驱动和力反馈信号处理电路板(2)共用一组信号线实现驱动和信号检测功能。
10.根据权利要求1所述的一种与眼镜集成的多功能压电骨导耳机与触控力反馈系统，其特征在于，所述集成式压电驱动和力反馈信号处理电路板(2)中包含有线或无线音频接受和控制指令发送功能模块。
专利摘要一种与眼镜集成的多功能压电骨导耳机与触控力反馈系统涉及骨导式耳机以及触控力反馈技术领域。该系统包括眼镜框基体，固定于眼镜腿根部的集成式压电驱动和力反馈信号处理电路板和供电模块；固定于眼镜腿凹槽中的压电材料；涂覆于压电材料表面的上电极层和下电极层；连接电极层和电路板的柔性电路。电路板通过接收音频信号，并向压电材料的电极层施加电压信号；由于逆压电效应，压电材料发生与声音电信号同频的振动，带动眼镜腿一起振动，眼镜腿的振动传入与之接触的人体面部，声音通过骨传导被人的听神经感知，产生听感；压电材料在受外力时，产生对应的感应电信号，被电路板处理为对应的力反馈触控信号，用于实现功能选择和切换等控制功能。
文档编号H04R17/00GK202889620SQ20122059185
公开日2013年4月17日 申请日期2012年11月10日 优先权日2012年11月10日
发明者袁世明, 张韬, 李莉 申请人:精拓丽音科技(北京)有限公司