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EP3739904B1 - Acoustic bending converter system and acoustic device - Google Patents

Acoustic bending converter system and acoustic device Download PDF

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Publication number
EP3739904B1
EP3739904B1 EP19174497.8A EP19174497A EP3739904B1 EP 3739904 B1 EP3739904 B1 EP 3739904B1 EP 19174497 A EP19174497 A EP 19174497A EP 3739904 B1 EP3739904 B1 EP 3739904B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bending
acoustic
bending transducer
converters
transducers
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP19174497.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP3739904A1 (en
Inventor
Bert Kaiser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority to EP19174497.8A priority Critical patent/EP3739904B1/en
Priority to CN202080036103.7A priority patent/CN114073103B/en
Priority to PCT/EP2020/063187 priority patent/WO2020229466A1/en
Priority to TW109115901A priority patent/TW202102008A/en
Publication of EP3739904A1 publication Critical patent/EP3739904A1/en
Priority to US17/524,577 priority patent/US12108212B2/en
Application granted granted Critical
Publication of EP3739904B1 publication Critical patent/EP3739904B1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/02Microphones
    • H04R17/025Microphones using a piezoelectric polymer
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00Electrostatic transducers
    • H04R19/005Electrostatic transducers using semiconductor materials
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2201/00Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003Mems transducers or their use

Definitions

  • Embodiments according to the invention relate to a micromechanical sound transducer.
  • these documents reveal the design of bending transducers and their specific possibilities and mechanisms for interacting with the environment.
  • the above-mentioned documents relate to a novel MEMS (micro electromechanical system) actuator principle that is based on a silicon beam moving laterally in a plane, for example a substrate plane defined by a silicon disk or wafer.
  • the silicon beam which is connected to the substrate in a cavity, interacts with a volume flow.
  • the novel MEMS described therein are defined as NED (Nanoscopic Electrostatic Drive).
  • NEDs are particularly suitable for miniaturization - reducing the size of components while retaining the full range of functions - of everyday objects that have increased integration requirements.
  • ultra-mobile devices such as smartwatches or hearables are subject to very tight space design limits.
  • sound transducers can be realized that can meet these increased requirements, whereby both sound quantity and Sound quality can be significantly improved compared to conventional sound transducers.
  • the integration requirements relate both to the adaptation to the existing installation space in general and to the system design together with several components.
  • a hearing aid or headphones which is designed in such a way that its outer dimensions of the housing correspond to the inner dimensions of the ear canal.
  • a MEMS-based sound transducer is arranged in the housing so that a front volume is formed in the direction of the eardrum and a rear volume in the direction of the earpiece, which are separated from each other by the MEMS-based sound transducer.
  • This sound transducer is designed in its geometric dimensions in such a way that it does not restrict the geometric dimensions of the resonance volumes, but it is difficult to keep a frequency curve constant over a large frequency range.
  • the sound transducer consists of bending transducers which are elastically suspended on one side and which extend over a cavity and whose edge area is spaced apart on a front side by a gap.
  • the gap increases due to the curvature of the sound transducers.
  • a sound shielding device is disclosed which is formed by the side walls, the so-called sound blocking walls of the cavity. These walls are arranged in such a way that they at least partially prevent lateral sound passage along the gap.
  • the disadvantage is that the sound transducers are piezoelectric and are therefore subject to pre-curvature, so that the measures disclosed serve to minimize the inaccuracies resulting from this pre-curvature.
  • a loudspeaker unit for a portable device for generating sound waves in the audible range is disclosed, which is characterized by a small size and high performance.
  • the loudspeaker unit includes a MEMS-based tweeter, with the frequency ranges of both loudspeakers overlapping. This makes the electrodynamic loudspeaker compact and optimized for low frequencies.
  • the disadvantage, however, is that it requires a lot of space and has a high power consumption, since two different system technologies have to be operated.
  • the sound-generating membrane is a conductive foil that is arranged between two surface electrodes and whose vibrations generate sound in the audible wavelength spectrum. This foil is not arranged parallel to the eardrum, which minimizes unwanted resonances in the ear canal.
  • no other functional elements can be monolithically integrated in this structure, which means that additional space is required outside the ear canal.
  • WO 2010/133782 A1 This describes a dipole device for generating a pair of acoustic waves, the waves having opposite pressures and radiating in opposite directions.
  • the EP 3 279 622 A1 describes a device for analyzing an audio spectrum. For this purpose, a large number of resonators with different resonance frequencies are arranged on a substrate around a recess.
  • the DE 10 2015 210919 A1 describes MEMS transducers for interacting with a volume flow of a fluid comprising a substrate having a cavity and an electromechanical transducer connected to the substrate in the cavity and an element deformable along a lateral direction of movement, wherein a deformation of the deformable element along the lateral direction of movement and the volume flow of the fluid are causally related.
  • the EP 2 986 024 A1 describes an audio measuring device and a method for detecting frequency information.
  • the device comprises a substrate with a cavity, a membrane covering the cavity and a plurality of resonators on the membrane.
  • the WO 00/41432 A2 describes a hearing aid with a large microphone diaphragm.
  • the diaphragm can be designed as a single element or as a diaphragm that is divided into a number of smaller active diaphragms.
  • An object of the invention is therefore to provide an acoustic bending transducer system with increased effectiveness and an acoustic device for improving sound conversion in a passage such as an ear canal.
  • a compact arrangement of a large number of bending transducers in a bending transducer system which is designed as a sound transducer and which enables the integration of other system components in limited space, ensures high reproduction quality in an environment around the bending transducer system.
  • the frequency response reproduced by the sound transducer can be kept constant over a large frequency range, for example by orienting the volume flow at an angle in a passage, such as an ear canal.
  • a variation can be less than 6 dB, for example.
  • the application describes a further development regarding an optimization of the arrangement of bending transducers with regard to space requirements, sound pressure level and Sound quality that can be provided by the NED in a specific environment - for example, in the ear canal of a human ear.
  • the bending transducers are arranged next to one another in the common flat layer or oscillation plane along a first axis and extend along a second axis which is transverse to the first axis.
  • individual or multiple bending transducers can also be arranged at an angle to the majority of the bending transducers which are aligned parallel to one another.
  • a further aspect of the application relates to an acoustic device, e.g. a hearing aid with: an acoustic bending transducer system with at least one bending transducer that has at least one deformable element that is arranged in a cavity and an opening through which a fluidic volume flow interacting with a movement of the bending transducer in the cavity passes, and a housing that is adapted to be inserted into a passage, wherein the bending transducer system is held in the housing such that the fluidic volume flow can be aligned obliquely to a longitudinal axis of the passage in a state in which the housing is inserted into the passage.
  • the acoustic device can be miniaturized and is therefore particularly suitable for installation in in-the-ear hearing aids (ITE) and hearables as well as smartwatches and other ultra-mobile devices.
  • ITE in-the-ear hearing aids
  • the bending transducer system has one or more cavities in which the bending transducers are arranged and one or more openings in the cavities through which a fluidic volume flow that interacts with a large number of bending transducers can pass.
  • the openings in the cavities can be common openings of two or more cavities that communicate with each other via the fluidic volume flow.
  • openings in the cavities of the bending transducer system allow communication between individual bending transducers or the bending transducer system with an environment that surrounds them.
  • the bending transducers are arranged in a space that is delimited by a first and a second substrate parallel to the common vibration plane, and walls between the substrates that divide the space along a longitudinal direction or a direction transverse to the longitudinal direction in the common vibration plane into cavities that are arranged between adjacent bending transducers.
  • a cavity is delimited, for example, by the first substrate, the second substrate and two opposing walls of adjacent bending transducers. Since the plurality of bending transducers is designed to be deflected via their deformable elements in the common vibration plane of a layer, the bending transducers can each have a distance from the first substrate and the second substrate through which adjacent cavities can be fluidically coupled to one another. Due to the fluidic coupling of adjacent cavities, the plurality of bending transducers can exert a common force on a fluid located in the cavities, whereby a high sound level can be achieved with the micromechanical sound transducer.
  • each bending transducer of the acoustic bending transducer system can comprise a deformable element that can be deformed electrostatically, piezoelectrically or thermomechanically. This provides a multitude of options for flexibly adapting the bending transducer system to desired requirements.
  • At least a first subset of at least one first bending transducer has a deformable element clamped on one side
  • at least a second subset of at least one second bending transducer each has a deformable element clamped on both sides.
  • the at least first subset of at least one first bending transducer has on average a higher resonance frequency than the at least second subset of at least one second bending transducer, or vice versa. Due to certain requirements for the installation space and with regard to the different frequencies and their sound pressures, the stiffness, mass, length and cross-sectional geometry of the deformable elements of the respective bending transducers can be adapted.
  • the first subset of at least one first bending transducer has on average a shorter length than the second subset of at least one second bending transducer.
  • each bending transducer defines two opposing cavities, each cavity being accessible via at least one opening for the passage of the fluidic volume flow. It is thus possible to fluidically couple the individual cavities and thus specifically control the properties of the volume flow conveyed by the individual bending transducers, which particularly with regard to a build-up pressure or sound pressure of the volume flow may be desired.
  • the deformable element of each bending transducer should have a length that is less than 4000 ⁇ m.
  • an external dimension of the bending transducer system along the common longitudinal axis lateral to the common flat layer is maximum and greater than an external dimension of the bending transducer system transverse to it.
  • the external dimensions of the bending transducer system along the common longitudinal axis are between 750 ⁇ m and 2000 ⁇ m. In an even more preferred embodiment, the external dimensions of the bending transducer system along the common longitudinal axis are between 800 ⁇ m and 1200 ⁇ m. Bending transducer systems with the dimensions mentioned above can be installed in in-ear hearing aids in a space-saving manner, while ensuring sufficient hearing quality for the user.
  • an outer surface of the bending transducer system describes an oval elongated along the common longitudinal axis, a rectangle elongated along the common longitudinal axis or a polygon elongated along the common longitudinal axis, coplanar to the common flat layer.
  • Such elongated shapes allow the installation space in an elongated shell with a cylindrical or rectangular cross-section to be used particularly well.
  • an inner cross-section of an elongated shell can be essentially completely occupied, for example an ear canal can be sealed.
  • the bending transducers are divided into groups of one or more bending transducers, wherein in groups with several bending transducers, the several bending transducers are arranged along the common longitudinal axis are arranged one behind the other.
  • the individual pressures of the volume flow caused by the respective deformable elements of the bending transducers would add up. Consequently, by advantageously staggering or grouping the bending transducers and their selective activation, not only a desired pressure or sound pressure of the volume flow released into the environment could be controlled in a targeted manner, but also different sound frequencies could be generated.
  • short bending transducers can be arranged in the area of the openings, since they are characterized by a comparatively high rigidity - relative to long bending transducers - which makes high resonance frequencies possible. If such bending transducers are arranged in the area of the openings that connect the cavities with the environment, resonances can be avoided and thus sound quality or hearing quality can be improved.
  • the bending transducers are divided into groups of one or more bending transducers, whereby in groups with several bending transducers, the several bending transducers are arranged next to one another in the common plane transverse to the common longitudinal axis. Analogous to the arrangement of several bending transducers one behind the other along the common longitudinal axis, a desired sound pressure and a location of the sound can also be controlled when arranging them next to each other transversely to the common longitudinal axis.
  • the fluidic volume flow - in the bending transducer system - of the acoustic device runs in the plane of the common flat layer of the bending transducer system. Due to the arbitrary design and orientation of the cavities and deformable elements of the individual bending transducers of the bending transducer system, a targeted course of the fluidic volume flow in the bending transducer system can be provided and thus controlled. The volume flow can thus be directed specifically to the place where its effect on its surroundings is optimal.
  • the bending transducer system is held in the housing in such a way that the fluidic volume flow of the acoustic device passes through the openings of the bending transducer system at an angle of between 5° and 80°, between 10° and 40°, or between 15° and 30° inclined to the longitudinal axis of the passage.
  • the deformable elements are guided in relation to their orientation, for example in the direction of the eardrum of a human ear in an anti-parallel manner so that resonances in the ear canal are minimized.
  • a higher packing density of the bending transducers can be achieved and higher sound pressures - related to a cross-sectional area of the canal - can be achieved, creating a larger acoustically active surface of the acoustic device.
  • the acoustic bending transducer system can receive and/or emit an acoustic signal via the fluid volume flow passing through the openings. This enables the acoustic bending transducer system to work simultaneously as a receiver and/or transmitter of acoustic signals, which in turn significantly increases the flexibility in using the acoustic device.
  • the transmission or reception of acoustic signals can take place alternately or continuously.
  • the acoustic device further comprises: a control unit for controlling the individual bending transducers of the bending transducer system and a power supply source for operating the acoustic device. Due to the diverse possibilities for miniaturizing the acoustic bending transducer system, additional components can also be accommodated in a space-saving manner despite the small dimensions of the acoustic device. This contributes significantly to increasing the wearing comfort and user-friendliness of the acoustic device.
  • two or more acoustic bending transducer systems can be held in the housing, with the common flat layer of the same aligned parallel to one another.
  • acoustic devices can be arranged or manufactured in the form of a substrate stack, which makes it possible to implement highly complex structures while keeping manufacturing costs relatively low.
  • acoustic devices can also be easily customized in this way.
  • stacking several acoustic bending transducer systems a higher sound pressure can be generated and/or a larger displayable frequency range can be covered.
  • the acoustic device can advantageously be constructed monolithically from several layers, or from substrates of different materials, which are are connected or bonded to one another in a common layer. This can be done, for example, in the form of an arrangement of a cover wafer above or a handling wafer below a common device wafer.
  • control unit and/or the energy supply source is arranged in the common flat layer of a bending transducer system.
  • the control unit is of course set up for: fluid-dynamic damping, signal processing, wireless communication, voltage transformation. It can contain sensors, software, data storage, etc., which are arranged individually or together in the same acoustic device, or alternatively are provided separately from the acoustic device.
  • Fig. 1 shows a perspective view of a bending transducer system according to an embodiment of the present invention in the form of a layered component 100, which comprises a first bending transducer system 1 and a second bending transducer system 2, which are stacked on top of one another.
  • the component 100 can comprise further bending transducer systems which are arranged in layers on the bending transducer system 1 and/or on the bending transducer system 2, for example.
  • a bending transducer system 1 or a bending transducer system 2 comprises a plurality of bending transducers 3, 4 which have the same or different predefined lengths. An arrangement of the bending transducers 3, 4 of different lengths is shown as an example on the surface of the bending transducer system 1.
  • both the bending transducer system 1 and the bending transducer system 2 are L-shaped, so that the two bending transducer systems 1 and/or 2 stacked on top of one another stack to form an L-shaped component 100.
  • the individual legs of the L-shaped component 100 are of different lengths. In an area of a shorter leg of the L-shaped component 100, further bending transducers 4 and bending transducers 5 - indicated by a dot-dash line - are arranged, which have a third length.
  • the lengths of the individual bending transducers 3, 4 and 5 are, for example: bending transducer 3 from 1000 ⁇ m to 4000 ⁇ m; bending transducer 4 from 500 ⁇ m to 2000 ⁇ m; bending transducer 5 from 100 ⁇ m to 1000 ⁇ m.
  • the individual length ratios can be selected, for example: bending transducer 3 to bending transducer 4 between 1:1.5 to 1:3; bending transducer 3 to bending transducer 5 between 1:1.5 to 1:3; or the length ratio of the bending transducer 4 to the bending transducer 5 between 1:1.5 to 1:3.
  • the bending transducers 3, 4 and 5 are aligned along the longest side of the component.
  • embodiments can also deviate from this and include a bending transducer alignment along the shortest side of the bending transducer system 1 and/or 2 or component 100.
  • the openings 13 are then not arranged in the area 13, but always in the area of the clamps of the bending transducers 3, 4 clamped on both sides or in the area of the clamp 14 and the freely movable end of a bending transducer 5 clamped on one side.
  • the bending transducers 3, 4 and 5 are arranged in such a way that short bending transducers 5 are arranged near the openings 13.
  • this has the advantage that a higher packing density can be achieved within the bending transducer system 1 and/or 2, resulting in higher sound pressures.
  • resonances can be avoided, which has a positive effect on the sound quality.
  • Embodiments are not limited to the L-shaped design of the external dimensions of the component. Further embodiments are not limited to the illustrated arrangement of the bending transducers 3, 4 and 5, rather the arrangement can differ for each bending transducer system 1 or 2 (cf. Fig. 9 ).
  • Fig. 2 shows in a perspective view the embodiment from Fig. 1 .
  • a substrate plane 9 of a substrate layer is shown, which runs parallel to the substrate layer.
  • a common movement plane 10 is formed from the movement directions 6, 7 and 8 of the respective bending transducers, wherein the deformable elements of the bending transducers 3, 4 and 5 oscillate coplanarly in a common flat substrate layer or movement plane 10.
  • the movement plane 10 and the substrate plane 9 are arranged parallel to one another.
  • Fig. 3 shows in a perspective view an embodiment of a component 100 with two stacked bending transducer systems 1 and 2, which have an oval outer shape.
  • the openings 13 are preferably arranged in the area of the clamps 14 of the bending transducers 3, 4 clamped on both sides or in the area of the clamp 14 and the freely movable end of a bending transducer 5 clamped on one side.
  • An oval outer geometry or shape of the component 100 has the advantage that it can be arranged tilted in a cylindrical or almost cylindrical housing of an ultra-mobile terminal device.
  • This embodiment shows an arrangement of the bending transducers 3, 4 and 5 along the longest orientation of the oval component geometry.
  • embodiments can equally contain different orientations of the bending transducers 3, 4 and 5.
  • embodiments can contain different orientations of the bending transducers 3, 4 and 5 for each layered bending transducer system 1 or 2, 2+n.
  • Fig. 4 shows in a perspective view the embodiment from Figure 3 .
  • a substrate plane 9 is shown, which runs parallel to the substrate layer, wherein the deformable elements of the bending transducers 3, 4 and 5 oscillate coplanarly in a common planar substrate layer or movement plane 10.
  • a movement plane 10 is formed from the movement directions 6, 7 and 8 of the respective bending transducers.
  • the movement plane 10 and the common planar substrate layer or substrate plane 9 are arranged parallel to one another.
  • the Fig. 5 shows a sectional view of the auditory canal 31, the eardrum 32 and the auricle 30.
  • the auditory canal has a cylindrical geometry or shape.
  • 101 represents the external dimensions of an ultra-mobile terminal device, for example the outer shell of its housing, which are adapted to the auditory canal 31 and essentially seal it off from the environment.
  • Such housings 101 can be adapted to the respective user, but must be manufactured individually in complex, usually additive and slow processes. However, they enable an ultra-mobile terminal device to fit optimally in the auditory canal 31.
  • Embodiments can also use a geometry adapted to the individual have different, simplified geometries that are manufactured using cost-effective processes, such as injection molding.
  • the tilted arrangement of the component 100 or the bending transducer system 1 or 2 with respect to the longitudinal axis 11 of the housing 101 makes it possible to enlarge the acoustically active surface of the component 100 or the bending transducer system 1 or 2 in order to, on the one hand, arrange a higher number of bending transducers 3, 4 and 5 in the bending transducer system 1 or 2 and/or, on the other hand, to integrate longer bending transducers 3, 4 and 5 in the bending transducer system 1 or 2.
  • the component 100 or the bending transducer system 1 or 2 is tilted about a transverse axis 105 of the ultra-mobile terminal in relation to the longitudinal axis 106, wherein the angle of inclination ⁇ between the movement plane 10 and the longitudinal axis 106 is in a range between 90° and 180°, preferably 150° and 170°, particularly preferably 160°.
  • the deformable elements are positioned in an anti-parallel manner with respect to the orientation of the eardrum. This minimizes resonances in the ear canal.
  • Embodiments are not limited to the illustrated tilting about the transverse axis of the housing 101. It is of course also possible to tilt the component 100 about the longitudinal and vertical axes 106 and 107 of the housing 101.
  • Fig. 6a shows in a perspective view elements of a component 100' according to an embodiment of the present invention in an excitation state.
  • Figure 6a in a perspective and highly simplified representation of a section of a component 100' from a substrate, without showing a cover wafer 18 and handling wafer 19.
  • the acoustic device can advantageously be constructed monolithically from several layers, or from substrates of different materials that are connected or bonded to one another via a common layer. This can be done, for example, in the form of an arrangement of a cover wafer 18 above or a handling wafer 19 below a common device wafer 20.
  • a cavity 11 is formed from a device wafer 20 by partially removing the material, which cavity is defined by a border 17 and the respective movable elements or electrodes of the bending transducers 3 2 , 3 4 and 4 2 , as well as by the substrate in the region of the clamping 14.
  • Embodiments include alternative borders 17 of the cavity 11.
  • the border 17 can be firmly connected to the substrate, on the other hand, the border 17 can consist of adjacent electrodes of a further bending transducer system 100', formed from further bending transducers 3, 4 and 5.
  • the bending transducers 3 2 , 3 4 , 4 2 , and 3 1 , 3 2 , 4 1 shown are clamped on both sides in this embodiment and connected to the substrate via the respective clamping 14.
  • Embodiments also include one-sided clamping, which has the advantage of a large deflection of the freely movable end compared to two-sided clamping.
  • the bending transducers 3, 4 and 5 can be clamped on one side or both sides in a bending transducer system 1 and/or 2. It is sensible to clamp the shorter bending transducers 4, 5, which are arranged in the area of the openings 13, on one side and to clamp the longer bending transducers 3, which are arranged towards the center of the component, on both sides. This advantageously results in a larger vibration amplitude at higher frequencies of the shorter, one-sidedly clamped bending transducers 5, since these are characterized by an advantageous ratio of mass to bending transducer length.
  • the basic functional principle for interaction with a volume flow for example for generating sound or pumping a fluid, is shown in such a bending transducer system 1 and/or 2.
  • the bending transducers 3 1 , 3 2 , 4 1 as well as 3 2 , 3 4 and 4 2 move in the direction of the opposite edge 17 of the cavity 11 and thus reduce the volume within this cavity 11.
  • a volume flow 16 resulting from this volume reduction transports the fluid contained in the cavity 11 out of the cavity 11 through the openings 13.
  • the Figure 6b further shows the basic functional principle for interacting with a volume flow, for example for generating sound or for pumping a fluid in such a bending transducer system 1 and/or 2.
  • the bending transducers 3 1 , 3 2 , 4 1 as well as 3 2 , 3 4 and 4 2 move away from the opposite edge 17 of the cavity 11 and thus increase the volume of the cavity 11.
  • the volume flow 16 resulting from this volume increase transports the fluid through the openings 13 into the cavity 11.
  • Alternative embodiments do not contain a border 17 firmly connected to the substrate, but rather additional bending transducers, not shown here, which can be clamped on one and/or both sides. In this case, in the first time interval, the adjacent bending transducer systems 1 and 2 would move away from one another in order to increase the volume of the cavity 11 and move towards one another in order to reduce the volume of the cavity.
  • Further embodiments can comprise a combination of borders 17 firmly connected to the substrate and/or no borders 17 firmly connected to the substrate.
  • Fig. 7 shows a cross-sectional view of a section of a component 100' along the cutting plane A of the Figure 6a . Shown are the handling wafer 19 and cover wafer 18, which form the vertical boundary of the cavity 11, which is limited by the bending transducers 3 1 and 3 2 and the edge 17 in the area of the device wafer 20.
  • the structure is a layer stack, with the individual layers being mechanically firmly connected to one another, in particular by a material bond. These layers are not shown in the figure.
  • the layer-by-layer arrangement of electrically conductive layers enables a simple design, since the cavity 11 can be retained by selectively removing it from the layer 20 and bending transducer structures can remain by suitably adjusting the manufacturing processes.
  • the bending transducer structures in whole or in part in the cavity 11 by other measures or processes, for example by creating and/or positioning them in the cavity 11.
  • the bending transducer structures can be formed differently from the parts of the layer 20 remaining in the substrate, ie can have different materials.
  • the Figure 8 shows in a perspective view an alternative embodiment of a layered component 100 with an upper bending transducer system 1, which has vertically arranged openings 13 1 in a cover wafer 18 1 for connecting the cavities 11 with the environment.
  • a second bending transducer system 2 is arranged below the upper, first bending transducer system 1 and has laterally arranged openings 13 in a device wafer 20.
  • Embodiments are not limited to the system shown comprising two bending transducer systems 1 and 2, rather, only one bending transducer system 1 or 2 or a plurality of bending transducer systems 1, 2, ..., n can be arranged.
  • a control unit 21 is arranged in the immediate vicinity, which has a Part of the component 100 and which leads to a restriction of the available installation space of the bending transducer system 1 and which is connected to the bending transducer systems (not shown). Further openings in the handling wafer 19 of the upper bending transducer system 1 can be arranged such that they are connected to openings in the cover wafer 18 of the second bending transducer system 2. Embodiments include that a handling wafer 19 of the first bending transducer system 1 can be dispensed with if - in anticipation of Fig. 9 - the device wafer 20' of the second bending transducer system 2 can take over this function.
  • the Figure 9 shows in a cross-sectional view an embodiment of an alternative component 100" with an upper bending transducer system 1 that has vertically arranged openings 131 in the cover wafer 18.
  • the device wafers 20 and 20' are mechanically connected to one another, in particular by means of a material bond, via a common substrate layer 22, which represents both a cover wafer and a handling wafer.
  • This embodiment shows by way of example how openings 13 1 , 13' 1 , 13" 1 can be arranged in the cover, handling or device wafer in order to be optimally arranged with respect to the direction of sound.
  • the direction of sound can therefore be determined via the volume flow interacting with the environment, which is determined by the movement of the deformable elements or the bending transducer 3 1 , 3 2 , 3' 1 and 3' 2 of the component 100".
  • the arrangement of the bending transducer system as a sound transducer system is left to the expert.
  • the technical teaching taken up here reveals to the expert features of how a large number of bending transducers must be arranged in order to achieve high acoustic quality with a broad frequency range in a limited, predefined installation space.
  • a plane of movement which is formed by a plurality of directions of movement and can be inclined relative to a longitudinal axis and/or transverse axis and/or vertical axis of the space surrounding the sound transducer system.
  • short bending transducers in a bending transducer system it is advantageous for short bending transducers in a bending transducer system to be arranged where there is little space available and/or in the area of the openings that connect the cavities with the environment. These openings are located in the area of the outer limits of the bending transducer system.
  • long bending transducers are mainly arranged centrally in the bending transducer system. This has the advantage of making optimal use of the available space in order to achieve a high packing density of the individual bending transducers and thereby increase the sound pressure level.
  • longer bending transducers enable lower resonance frequencies due to their lower rigidity.
  • Short bending transducers are characterized by a comparatively high rigidity, which enables high resonance frequencies. If these bending transducers are arranged in the area of the openings that connect the cavities with the environment, resonances can be avoided and the sound quality can thus be improved.
  • a headphone diaphragm in an "axial" position is, as a first approximation, only excited by the transverse mode at U T ⁇ 235 kHz. This is much better because it is acoustically completely irrelevant!
  • the size of the bending transducer system (analogous to the membrane) should be chosen so that the low natural frequencies of the membrane do not cause interference. It should therefore not be too large.
  • a larger base area of the bending transducer system can be arranged in the available space, on which in turn longer or more bending transducers can be arranged.
  • longer or more bending transducers can be arranged.
  • openings can be optimally arranged in the direction of the sound given by the external dimensions.
  • Figure 8 vertically arranged openings, which are then arranged almost in the direction of sound when the component is tilted in the ear canal.
  • the application thus describes a further development with regard to the optimization of the sound quantity (sound pressure level) and sound quality that can be provided by the component in a specific environment.
  • High integration requirements relate to adaptation to the available installation space in general as well as to the system design from several components.
  • the energy storage devices in particular as well as any other HMI components (tactile surfaces, displays) are subject to strict limits of the installation space design (cylindrical/cuboid-shaped or flat/plate-shaped).
  • the sound transducer In order to achieve a minimization of the installation space, it is necessary to adapt the sound transducer to the remaining installation space and thus enable a high sound quantity.
  • transducer groups can achieve sound generation that is adapted to the geometric conditions in terms of sound radiation.
  • the main drivers are frequency-dependent effects, whereby disturbing resonances can occur, particularly at high frequencies.
  • both the sound quality and sound quality can be significantly improved.
  • the principle of the bending transducer according to the invention is based on the NED (Nanoscopic Electrostatic Drive) and is in WO 2012/095185 A1 described.
  • NED is a novel MEMS (micro electromechanical system) actuator principle.
  • the basic principle is that a silicon beam moves laterally in a plane, the substrate plane, which is defined by a silicon disk or wafer.
  • the silicon beam which is connected to the substrate in a cavity, interacts with a volume flow.
  • the component comprises an electronic circuit arranged in a layer of the layer stack, wherein the electronic circuit is connected to the electromechanical bending transducer and which is designed to deflect the bending transducer based on an electrical signal.
  • First bending transducer system 2 Second bending transducer system 3
  • First bending transducer has first length 4
  • Second bending transducer has second length 5
  • Third bending transducer has third length 6 direction of movement of the first bending transducer 7 direction of movement of the second bending transducer 8 direction of movement of the third bending transducer 9 substrate level 10 plane of movement 11 cavity 12 angle between the plane of movement and the longitudinal axis 13 openings 14 clamping 15 edge of the cavity 16 volume flow 17 edge of the cavity 18 lid wafer 19 handling wafers 20 device wafer 21 ASIC 22 Common substrate layer 30 auricle 31 ear canal 32 eardrum 100 component 100 section of a component 101 External geometry of an ultra-mobile device, for example a housing 102 length of the component 103 width of the component 104 thickness of the component 105
  • a transverse axis of the ultra-mobile device 106 longitudinal axis of the ultra-mobile device 107 vertical axis of the ultra-mobile device 108 angle ⁇

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)
  • Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)

Description

Technisches Gebiettechnical field

Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf einen mikromechanischen Schallwandler.Embodiments according to the invention relate to a micromechanical sound transducer.

Hintergrundbackground

Das technische Gebiet der vorliegenden Anmeldung kann auf die folgenden drei Dokumente zurückgeführt werden, die mikromechanische Bauelemente beschreiben:

  • WO 2012/095185 A1 / Bezeichnung: MIKROMECHANISCHES BAUELEMENT
  • WO 2016/202790 A2 / Bezeichnung: MEMS TRANSDUCER FOR INTERACTING WITH A VOLUME FLOW OF A FLUID AND METHOD FOR PRODUCING SAME
  • DE 10 2015 206 774 A1
The technical field of the present application can be traced back to the following three documents describing micromechanical devices:
  • WO 2012/095185 A1 / Description: MICROMECHANICAL COMPONENT
  • WO 2016/202790 A2 / Description: MEMS TRANSDUCER FOR INTERACTING WITH A VOLUME FLOW OF A FLUID AND METHOD FOR PRODUCING SAME
  • DE 10 2015 206 774 A1

Grundlegend offenbaren diese Dokumente die Bauweise von Biegewandlern und deren spezifischen Möglichkeiten und Mechanismen mit dem Umgebung in Wechselwirkung zu treten. Insbesondere betreffen die vorstehend genannten Dokumente ein neuartiges MEMS (mikro elektromechanisches System) Aktuator-Prinzip, das darauf beruht, dass sich ein Siliziumbalken lateral in einer Ebene, beispielsweise einer Substratebene, die durch eine Siliziumscheibe oder einen Wafer definiert ist, bewegt. Dabei interagiert der Siliziumbalken, der mit dem Substrat in einer Kavität verbunden ist, mit einem Volumenstrom. Die darin beschriebenen neuartigen MEMS werden als NED (Nanoscopic Electrostatic Drive) ein nanoskopischer elektrostatischer Antrieb definiert.Basically, these documents reveal the design of bending transducers and their specific possibilities and mechanisms for interacting with the environment. In particular, the above-mentioned documents relate to a novel MEMS (micro electromechanical system) actuator principle that is based on a silicon beam moving laterally in a plane, for example a substrate plane defined by a silicon disk or wafer. The silicon beam, which is connected to the substrate in a cavity, interacts with a volume flow. The novel MEMS described therein are defined as NED (Nanoscopic Electrostatic Drive).

Diese NEDs eignen sich aufgrund ihrer Größenverhältnisse besonders zur Miniaturisierung - Verkleinerung von Bauteilen unter Beibehaltung des vollen Funktionsumfangs - von Alltagsgegenständen, an die erhöhte Integrationsanforderungen gestellt werden. Beispielsweise sind ultramobile Endgeräte wie Smartwatches oder Hearables sehr engen Grenzen der Bauraumgestaltung unterworfen. Mit dem oben genannten NED sind unter anderem Schallwandler realisierbar, die diesen erhöhten Ansprüchen Rechnung tragen können, wobei sowohl Schallquantität als auch Schallqualität signifikant gegenüber herkömmlichen Schallwandlern verbessert werden können. Dabei beziehen sich die Integrationsanforderungen sowohl auf die Anpassung an vorhandenen Bauraum allgemein als auch auf die Systemgestaltung zusammen mit mehreren Komponenten.Due to their size, these NEDs are particularly suitable for miniaturization - reducing the size of components while retaining the full range of functions - of everyday objects that have increased integration requirements. For example, ultra-mobile devices such as smartwatches or hearables are subject to very tight space design limits. With the above-mentioned NED, sound transducers can be realized that can meet these increased requirements, whereby both sound quantity and Sound quality can be significantly improved compared to conventional sound transducers. The integration requirements relate both to the adaptation to the existing installation space in general and to the system design together with several components.

In dem Dokument DE 10 2017 114 008 A1 ist ein Hörgerät beziehungsweise ein Kopfhörer offenbart, der derart ausgestaltet ist, dass seine äußeren Abmessungen des Gehäuses den inneren Abmessungen des Gehörgangs entsprechen. Ein MEMS-basierter Schallwandler ist im Gehäuse angeordnet, so dass in Richtung Trommelfell ein Vordervolumen und in Richtung Hörmuschel ein Rückvolumen ausgebildet sind, die durch den MEMS-basierten Schallwandler voneinander abgetrennt sind. Dieser Schallwandler ist in seinen geometrischen Abmessungen so ausgebildet, dass er die geometrischen Abmessungen der Resonanzvolumen nicht einschränkt, es ist aber schwierig damit einen Frequenzverlauf über einen großen Frequenzbereich konstant zu halten. Darüber hinaus besteht der Schallwandler aus einseitig elastisch aufgehängten Biegewandlern, die sich über eine Kavität erstrecken und deren Randbereich an einer Vorderseite durch einen Spalt beabstandet sind. Durch die Verkrümmung der Schallwandler vergrößert sich der Spalt. Weiterhin ist eine Schallabschirmeinrichtung offenbart, die durch die Seitenwände, die sog. Schallblockierungswände der Kavität gebildet sind. Diese Wände sind derart angeordnet, dass sie einen lateralen Schalldurchtritt entlang des Spalts zumindest teilweise verhindern. Nachteilig ist offenbart, dass die Schallwandler piezoelektrisch sind und damit einer Vorverkrümmung unterliegen, so dass die offenbarten Maßnahmen dazu dienen die Ungenauigkeiten, die sich durch diese Vorverkrümmung ergeben, zu minimieren.In the document DE 10 2017 114 008 A1 a hearing aid or headphones is disclosed which is designed in such a way that its outer dimensions of the housing correspond to the inner dimensions of the ear canal. A MEMS-based sound transducer is arranged in the housing so that a front volume is formed in the direction of the eardrum and a rear volume in the direction of the earpiece, which are separated from each other by the MEMS-based sound transducer. This sound transducer is designed in its geometric dimensions in such a way that it does not restrict the geometric dimensions of the resonance volumes, but it is difficult to keep a frequency curve constant over a large frequency range. In addition, the sound transducer consists of bending transducers which are elastically suspended on one side and which extend over a cavity and whose edge area is spaced apart on a front side by a gap. The gap increases due to the curvature of the sound transducers. Furthermore, a sound shielding device is disclosed which is formed by the side walls, the so-called sound blocking walls of the cavity. These walls are arranged in such a way that they at least partially prevent lateral sound passage along the gap. The disadvantage is that the sound transducers are piezoelectric and are therefore subject to pre-curvature, so that the measures disclosed serve to minimize the inaccuracies resulting from this pre-curvature.

In dem Dokument DE 10 2017 108 594 A1 ist eine Lautsprechereinheit für ein tragbares Gerät zum Erzeugen von Schallwellen im hörbaren Bereich offenbart, dass durch eine geringe Baugröße und hohe Leistungsfähigkeit gekennzeichnet ist. Dabei umfasst die Lautsprechereinheit neben dem elektrodynamischen Lautsprecher einen MEMS-basierten Hochtonlautsprecher, wobei sich die Frequenzbereiche beider Lautsprecher überlappen. Dadurch ist der elektrodynamische Lautsprecher kompakt ausgebildet und für tiefe Frequenzen optimiert. Nachteilig ergibt sich aber weiterhin der hohe Platzbedarf und die hohe Leistungsaufnahme, da zwei unterschiedliche Systemtechniken betrieben werden müssen.In the document DE 10 2017 108 594 A1 A loudspeaker unit for a portable device for generating sound waves in the audible range is disclosed, which is characterized by a small size and high performance. In addition to the electrodynamic loudspeaker, the loudspeaker unit includes a MEMS-based tweeter, with the frequency ranges of both loudspeakers overlapping. This makes the electrodynamic loudspeaker compact and optimized for low frequencies. The disadvantage, however, is that it requires a lot of space and has a high power consumption, since two different system technologies have to be operated.

Aus dem Dokument DE 196 124 81 A1 ist des Weiteren eine gegenüber einer Längsachse gekippte Anordnung eines Schallwandlers für Hörgeräte bekannt. Die schallerzeugende Membran ist eine leitfähige Folie, die zwischen zwei Flächenelektroden angeordnet ist und durch deren Schwingungen Schall im hörbaren Wellenlängenspektrum erzeugt wird. Diese Folie ist gegenüber dem Trommelfell nicht parallel angeordnet, wodurch unerwünschte Resonanzen im Gehörgang minimiert werden. Allerdings lassen bei diesen Aufbau keine weiteren Funktionselemente monolithisch integrieren, wodurch zusätzlicher Raum, außerhalb des Gehörgangs benötigt wird.From the document DE 196 124 81 A1 Furthermore, an arrangement of a sound transducer for hearing aids that is tilted relative to a longitudinal axis is known. The sound-generating membrane is a conductive foil that is arranged between two surface electrodes and whose vibrations generate sound in the audible wavelength spectrum. This foil is not arranged parallel to the eardrum, which minimizes unwanted resonances in the ear canal. However, no other functional elements can be monolithically integrated in this structure, which means that additional space is required outside the ear canal.

Eine weitere bisherige Lösung aus dem Stand der Technik findet sich in der WO 2010/133782 A1 . Diese beschreibt eine Dipol-Vorrichtung zur Erzeugung eines Paars akustischer Wellen, wobei die Wellen entgegengesetzte Drücke aufweisen und in entgegengesetzte Richtungen abgestrahlt werden. Die EP 3 279 622 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Analyse eines Audiospektrums. Dazu wird eine Vielzahl von Resonatoren mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen auf einem Substrat um eine Ausnehmung herum angeordnet. Die DE 10 2015 210919 A1 beschreibt MEMS-Wandler zum Interagieren mit einem Volumenstrom eines Fluids umfassend ein Substrat, das eine Kavität aufweist und einen elektromechanischen Wandler, der in der Kavität mit dem Substrat verbunden ist und ein sich entlang einer lateralen Bewegungsrichtung verformbares Element, wobei eine Verformung des verformbaren Elements entlang der lateralen Bewegungsrichtung und der Volumenstrom des Fluids kausal zusammenhängen. Die EP 2 986 024 A1 beschreibt eine Audiomessvorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung von Frequenzinformation. Die Vorrichtung umfasst ein Substrat mit einer Kavität, sowie einer Membran, welche die Kavität abdeckt und eine Vielzahl von Resonatoren auf der Membran. Die WO 00/41432 A2 beschreibt ein Hörgerät mit einem großen Mikrofon Diaphragma. Das Diaphragma kann dabei als einzelnes Element ausgebildet sein, oder als Diaphragma, welches in eine Vielzahl kleinerer aktiven Diaphragmen unterteilt ist.Another state-of-the-art solution can be found in the WO 2010/133782 A1 This describes a dipole device for generating a pair of acoustic waves, the waves having opposite pressures and radiating in opposite directions. The EP 3 279 622 A1 describes a device for analyzing an audio spectrum. For this purpose, a large number of resonators with different resonance frequencies are arranged on a substrate around a recess. The DE 10 2015 210919 A1 describes MEMS transducers for interacting with a volume flow of a fluid comprising a substrate having a cavity and an electromechanical transducer connected to the substrate in the cavity and an element deformable along a lateral direction of movement, wherein a deformation of the deformable element along the lateral direction of movement and the volume flow of the fluid are causally related. The EP 2 986 024 A1 describes an audio measuring device and a method for detecting frequency information. The device comprises a substrate with a cavity, a membrane covering the cavity and a plurality of resonators on the membrane. The WO 00/41432 A2 describes a hearing aid with a large microphone diaphragm. The diaphragm can be designed as a single element or as a diaphragm that is divided into a number of smaller active diaphragms.

Bekannte Lösungen verzichten auf eine besonders dichte Packung von Schallwandlern, oder nutzen externe Assemblierungsverfahren um einzelne Funktionen (beispielsweise elektrische Verbindung) zu ergänzen.Known solutions do not require particularly dense packing of sound transducers, or use external assembly processes to add individual functions (e.g. electrical connection).

In Anbetracht dessen besteht ein Bedarf nach einem Konzept, das gegenüber dem Stand der Technik eine erhöhte Packungsdichte der Bauelemente ermöglicht, um effektiv und effizient einen hohen Schalldruck zu realisieren.In view of this, there is a need for a concept that enables an increased packing density of the components compared to the state of the art in order to effectively and efficiently realize a high sound pressure.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es demnach, ein akustisches Biegewandlersystem mit erhöhter Effektivität und eine akustische Vorrichtung zur Verbesserung einer Schallwandlung in einem Gang wie z.B. einem Gehörgang zu schaffen.An object of the invention is therefore to provide an acoustic bending transducer system with increased effectiveness and an acoustic device for improving sound conversion in a passage such as an ear canal.

Diese Aufgabe wird mittels des Gegenstands im unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by means of the subject matter in independent patent claim 1.

Beispielweise wird durch eine kompakte Anordnung einer Vielzahl von Biegewandlern eines Biegewandlersystems, das als Schallwandler ausgebildet ist und das eine Integration weiterer Systemkomponenten in begrenzten Raumverhältnissen ermöglicht, eine hohe Wiedergabequalität in einer Umgebung um das Biegewandlersystem herum sichergestellt. Der mit dem Schallwandler wiedergegebene Frequenzverlauf, wie er sich für die Kombination aus Wandler und den umgebenden Bauraum ergibt, kann über einen großen Frequenzbereich konstant gehalten werden, wie zum Beispiel über die schräge Ausrichtung des Volumenstroms in einem Gang, wie zum Beispiel einem Gehörgang. Eine Variation kann beispielsweise kleiner als 6 dB sein.For example, a compact arrangement of a large number of bending transducers in a bending transducer system, which is designed as a sound transducer and which enables the integration of other system components in limited space, ensures high reproduction quality in an environment around the bending transducer system. The frequency response reproduced by the sound transducer, as it results from the combination of the transducer and the surrounding installation space, can be kept constant over a large frequency range, for example by orienting the volume flow at an angle in a passage, such as an ear canal. A variation can be less than 6 dB, for example.

Die Anmeldung beschreibt eine Weiterentwicklung hinsichtlich einer Optimierung der Anordnung von Biegewandlern hinsichtlich Platzbedarf, Schalldruckpegel und Schallqualität., die vom NED in einer spezifischen Umgebung - beispielsweise im Gehörgang eines menschlichen Ohrs - erbracht werden kann.The application describes a further development regarding an optimization of the arrangement of bending transducers with regard to space requirements, sound pressure level and Sound quality that can be provided by the NED in a specific environment - for example, in the ear canal of a human ear.

Es wird ein akustisches Biegewandlersystem mit einer Vielzahl von Biegewandlern vorgeschlagen, die derart ausgebildet sind, dass verformbare Elemente der Biegewandler komplanar in einer gemeinsamen ebenen Schicht schwingen, wobei die Biegewandler unterschiedliche Resonanzfrequenzen und unterschiedliche Ausdehnungen der verformbaren Elemente entlang einer gemeinsamen Längsachse aufweisen, die quer zu einer Schwingungsrichtung der verformbare Elemente ist. Bei den Biegewandlern kann es sich z. B. um elektrostatische Biegeaktoren (NED-Aktoren), piezoelektrische Aktoren oder thermomechanische Aktoren handeln. Die Mehrzahl von Biegewandlern sind zur Auslenkung in einer Schwingungsebene ausgebildet. Dabei sind die Biegewandler in der gemeinsamen ebenen Schicht beziehungsweise Schwingungsebene entlang einer ersten Achse nebeneinander angeordnet und erstrecken sich entlang einer zweiten Achse, die quer zur ersten Achse ist. Zur vollständigen Nutzung der räumlichen Gegebenheiten innerhalb derselben gemeinsamen ebenen Schicht können einzelne oder mehrere Biegewandler auch schräg zur Mehrzahl der parallel zueinander ausgerichteten Biegewandler angeordnet werden.An acoustic bending transducer system is proposed with a large number of bending transducers which are designed such that deformable elements of the bending transducers oscillate coplanarly in a common flat layer, wherein the bending transducers have different resonance frequencies and different extensions of the deformable elements along a common longitudinal axis which is transverse to a direction of oscillation of the deformable elements. The bending transducers can be, for example, electrostatic bending actuators (NED actuators), piezoelectric actuators or thermomechanical actuators. The majority of bending transducers are designed for deflection in an oscillation plane. The bending transducers are arranged next to one another in the common flat layer or oscillation plane along a first axis and extend along a second axis which is transverse to the first axis. In order to fully utilize the spatial conditions within the same common flat layer, individual or multiple bending transducers can also be arranged at an angle to the majority of the bending transducers which are aligned parallel to one another.

Ein weiterer Aspekt der Anmeldung betrifft eine akustische Vorrichtung, z.B. ein Hörgerät mit: einem akustischen Biegewandlersystem mit zumindest einem Biegewandler der zumindest ein verformbares Element aufweist, das in einer Kavität angeordnet ist, und einer Öffnung, durch die ein mit einer Bewegung des Biegewandlers in der Kavität wechselwirkender fluidischer Volumenstrom hindurch tritt, und einem Gehäuse, das angepasst ist, um in einem Gang eingefügt zu werden, wobei das Biegewandlersystem so in dem Gehäuse gehalten ist, dass der fluidischer Volumenstrom in einem Zustand, bei dem das Gehäuse in den Gang eingefügt ist, schräg zu einer Längsachse des Gangs ausrichtbar ist. Die akustische Vorrichtung ist miniaturisierbar und eignet sich deswegen vor allem zum Einbau in Im-Ohr-Hörgeräte (IdO) und Hearables sowie Smartwatches und weitere ultramobile Endgeräte.A further aspect of the application relates to an acoustic device, e.g. a hearing aid with: an acoustic bending transducer system with at least one bending transducer that has at least one deformable element that is arranged in a cavity and an opening through which a fluidic volume flow interacting with a movement of the bending transducer in the cavity passes, and a housing that is adapted to be inserted into a passage, wherein the bending transducer system is held in the housing such that the fluidic volume flow can be aligned obliquely to a longitudinal axis of the passage in a state in which the housing is inserted into the passage. The acoustic device can be miniaturized and is therefore particularly suitable for installation in in-the-ear hearing aids (ITE) and hearables as well as smartwatches and other ultra-mobile devices.

Vorteile und Funktionalitäten der Merkmale des akustischen Biegewandlersystems, wie es vorhergehend und im Folgenden beschrieben wird, treffen gleichermaßen auf eine damit versehene akustische Vorrichtung zu.Advantages and functionalities of the features of the acoustic bending transducer system as described above and below equally apply to an acoustic device provided therewith.

Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.Further developments according to the invention are defined in the subclaims.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Biegewandlersystem eine oder mehrere Kavitäten auf, in der die Biegewandler angeordnet sind und eine oder mehrere Öffnungen in den Kavitäten, durch die ein fluidischer Volumenstrom, der mit einer Vielzahl von Biegewandlern wechselwirkt, hindurch treten kann. Die Öffnungen in den Kavitäten können dabei gemeinsame Öffnungen zweier oder mehrerer Kavitäten sein, die über den fluidischen Volumenstrom miteinander kommunizieren. Darüber hinaus erlauben Öffnungen in den Kavitäten des Biegewandlersystems eine Kommunikation einzelner Biegewandler beziehungsweise des Biegewandlersystems mit einer sie umhüllenden Umgebung.According to one embodiment, the bending transducer system has one or more cavities in which the bending transducers are arranged and one or more openings in the cavities through which a fluidic volume flow that interacts with a large number of bending transducers can pass. The openings in the cavities can be common openings of two or more cavities that communicate with each other via the fluidic volume flow. In addition, openings in the cavities of the bending transducer system allow communication between individual bending transducers or the bending transducer system with an environment that surrounds them.

Gemäß eines Ausführungsbeispiels sind die Biegewandler in einem Raum angeordnet, der parallel zur gemeinsamen Schwingungsebene durch ein erstes und ein zweites Substrat begrenzt ist, und Wandungen zwischen den Substraten, die den Raum entlang einer Längsrichtung beziehungsweise einer in Richtung quer zur Längsrichtung in der gemeinsamen Schwingungsebene in Kavitäten unterteilen, die zwischen benachbarten Biegewandlern angeordnet sind. Somit wird eine Kavität beispielsweise durch das erste Substrat, das zweite Substrat sowie zwei einander gegenüberliegenden Wandungen von benachbarten Biegewandlern begrenzt. Da die Mehrzahl von Biegewandlern ausgebildet ist, um über ihre verformbaren Elemente in der gemeinsamen Schwingungsebene einer Schicht ausgelenkt zu werden, können die Biegewandler zu dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat jeweils einen Abstand aufweisen, durch den benachbarte Kavitäten fluidisch miteinander gekoppelt werden können. Durch die fluidische Kopplung benachbarter Kavitäten kann von der Mehrzahl an Biegewandlern eine gemeinsame Kraft auf ein in den Kavitäten befindliches Fluid ausgeübt werden, wodurch mit dem mikromechanischen Schallwandler ein hoher Schallpegel realisiert werden kann.According to one embodiment, the bending transducers are arranged in a space that is delimited by a first and a second substrate parallel to the common vibration plane, and walls between the substrates that divide the space along a longitudinal direction or a direction transverse to the longitudinal direction in the common vibration plane into cavities that are arranged between adjacent bending transducers. Thus, a cavity is delimited, for example, by the first substrate, the second substrate and two opposing walls of adjacent bending transducers. Since the plurality of bending transducers is designed to be deflected via their deformable elements in the common vibration plane of a layer, the bending transducers can each have a distance from the first substrate and the second substrate through which adjacent cavities can be fluidically coupled to one another. Due to the fluidic coupling of adjacent cavities, the plurality of bending transducers can exert a common force on a fluid located in the cavities, whereby a high sound level can be achieved with the micromechanical sound transducer.

Je nach Ausführungsform kann jeder Biegewandler des akustischen Biegewandlersystems ein verformbares Element umfassen, dass elektrostatisch, piezoelektrisch oder thermomechanisch verformbar ist. Dadurch ist eine Vielzahl von Möglichkeiten gegeben, um das Biegewandlersystem flexibel an gewünschte Erfordernisse anzupassen.Depending on the design, each bending transducer of the acoustic bending transducer system can comprise a deformable element that can be deformed electrostatically, piezoelectrically or thermomechanically. This provides a multitude of options for flexibly adapting the bending transducer system to desired requirements.

Darüber hinaus ist es besonders vorteilhaft, wenn beim akustischen Biegewandlersystem zumindest eine erste Teilmenge von zumindest einem ersten Biegewandler jeweils ein einseitig eingespanntes verformbares Element aufweist, und zusätzlich oder alternativ zumindest eine zweite Teilmenge von zumindest einem zweiten Biegewandler jeweils ein zweiseitig eingespanntes verformbares Element aufweist. Eine Gruppierung einzelner Teilmengen von bestimmten Biegewandlern ermöglicht zum einen eine zweckdienliche Nutzung des Bauraums und gleichzeitig ein gezieltes Verorten gleichartiger Biegewandler zur Erzeugung gewünschter Frequenzen beziehungsweise Schalldrücke. Dadurch, dass das verformbare Element jedes Biegewandlers einseitig oder zweiseitig einspannbar ist, lassen sich Biegewandler mit verformbaren Elementen unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften und Abmessungen realisieren, die wiederum für ein Erzeugen von unterschiedlichen Frequenzen und Schalldrücken verantwortlich sind. Ferner kann ein in derselben Schicht des Biegewandlersystems vorhandener Bauraum besonders vorteilhaft genutzt werden.Furthermore, it is particularly advantageous if, in the acoustic bending transducer system, at least a first subset of at least one first bending transducer has a deformable element clamped on one side, and additionally or alternatively at least a second subset of at least one second bending transducer each has a deformable element clamped on both sides. Grouping individual subsets of specific bending transducers enables a practical use of the installation space and at the same time a targeted location of similar bending transducers to generate the desired frequencies or sound pressures. Because the deformable element of each bending transducer can be clamped on one or both sides, bending transducers can be realized with deformable elements with different mechanical properties and dimensions, which in turn are responsible for generating different frequencies and sound pressures. Furthermore, an installation space available in the same layer of the bending transducer system can be used particularly advantageously.

Dabei ergibt sich vorteilhaft bei einseitig eingespannten Biegewandlern eine größere Schwingungsamplitude bei höheren Frequenzen, da sich die einseitig eingespannten Biegewandler durch ein vorteilhaftes Verhältnis von Masse zu Länge des verformbaren Elements der Biegewandler auszeichnen.This advantageously results in a larger vibration amplitude at higher frequencies in the case of cantilever-clamped bending transducers, since the cantilever-clamped bending transducers are characterized by an advantageous ratio of mass to length of the deformable element of the bending transducer.

Um unterschiedliche Frequenzen wiederzugeben und/oder unterschiedliche Schalldrücke erzeugen zu können, weist gemäß einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel die zumindest erste Teilmenge von zumindest einem ersten Biegewandler im Mittel eine höhere Resonanzfrequenz auf als die zumindest zweite Teilmenge von zumindest einem zweiten Biegewandler, oder umgekehrt. Aufgrund bestimmter Anforderungen an den Bauraum sowie hinsichtlich der verschiedenen Frequenzen und deren Schalldrücken, können Steifigkeit, Masse, Länge, und Querschnittsgeometrie der verformbaren Elemente jeweiliger Biegewandler angepasst werden.In order to be able to reproduce different frequencies and/or generate different sound pressures, according to a particularly advantageous embodiment, the at least first subset of at least one first bending transducer has on average a higher resonance frequency than the at least second subset of at least one second bending transducer, or vice versa. Due to certain requirements for the installation space and with regard to the different frequencies and their sound pressures, the stiffness, mass, length and cross-sectional geometry of the deformable elements of the respective bending transducers can be adapted.

Um besonders einfach und dediziert verschiedene Frequenzen wiederzugeben und/oder unterschiedliche Schalldrücke erzeugen zu können, weist die erste Teilmenge von zumindest einem ersten Biegewandler im Mittel eine kürzere Länge auf als die zweite Teilmenge von zumindest einem zweiten Biegewandler.In order to be able to reproduce different frequencies and/or generate different sound pressures in a particularly simple and dedicated manner, the first subset of at least one first bending transducer has on average a shorter length than the second subset of at least one second bending transducer.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform begrenzt jeder Biegewandler zwei gegenüberliegende Kavitäten, wobei jede Kavität über zumindest eine Öffnung zum Hindurchtreten des fluidischen Volumenstroms zugänglich ist. Somit ist es möglich, die einzelnen Kavitäten fluidisch zu koppeln und damit die Eigenschaften des durch die einzelnen Biegewandler beförderten Volumenstroms gezielt zu steuern, was insbesondere im Hinblick auf einen aufbaubaren Druck beziehungsweise Schalldruck des Volumenstroms gewünscht sein kann.According to a particularly preferred embodiment, each bending transducer defines two opposing cavities, each cavity being accessible via at least one opening for the passage of the fluidic volume flow. It is thus possible to fluidically couple the individual cavities and thus specifically control the properties of the volume flow conveyed by the individual bending transducers, which particularly with regard to a build-up pressure or sound pressure of the volume flow may be desired.

Zur Erzeugung von Schalldrücken in einem Frequenzspektrum mittels des akustischen Biegewandlersystems, die dem menschlichen Gehör zugänglich sind, ist empfiehlt es sich verformbare Elemente in den Biegewandlern vorzusehen, die eine Länge aufweisen, die größer als 100 µm ist. Um eine besonders kompakte Bauweise von miniaturisierten Schallwandlern zu ermöglichen, sollte das verformbare Element jedes Biegewandlers eine Länge aufweisen, die geringer als 4000 µm ist. Zum platzsparenden Einbau des Biegewandlersystems in eine länglich gestreckte Hülle, ist lateral zu der gemeinsamen ebenen Schicht ein Außenmaß des Biegewandlersystems entlang der gemeinsamen Längsachse maximal und größer einem Außenmaß des Biegewandlersystems quer dazu.To generate sound pressures in a frequency spectrum using the acoustic bending transducer system that are accessible to the human ear, it is recommended to provide deformable elements in the bending transducers that have a length that is greater than 100 µm. To enable a particularly compact design of miniaturized sound transducers, the deformable element of each bending transducer should have a length that is less than 4000 µm. To save space in installing the bending transducer system in an elongated shell, an external dimension of the bending transducer system along the common longitudinal axis lateral to the common flat layer is maximum and greater than an external dimension of the bending transducer system transverse to it.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt das Außenmaß des Biegewandlersystems entlang der gemeinsamen Längsachse zwischen 750 µm und 2000 µm. Bei einem noch bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt das Außenmaß des Biegewandlersystems entlang der gemeinsamen Längsachse zwischen 800 µm und 1200 µm. Biegewandlersysteme mit den vorstehend genannten Ausmaßen lassen sich platzsparend bei Im-Ohr-Hörgeräten verbauen, wobei eine ausreichende Hörqualität für den Benutzer gewährleistet werden kann.In a particularly preferred embodiment, the external dimensions of the bending transducer system along the common longitudinal axis are between 750 µm and 2000 µm. In an even more preferred embodiment, the external dimensions of the bending transducer system along the common longitudinal axis are between 800 µm and 1200 µm. Bending transducer systems with the dimensions mentioned above can be installed in in-ear hearing aids in a space-saving manner, while ensuring sufficient hearing quality for the user.

Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen beschreibt eine Außenfläche des Biegewandlersystems komplanar zu der gemeinsamen ebenen Schicht ein entlang der gemeinsamen Längsachse längliches Oval, ein entlang der gemeinsamen Längsachse längliches Rechteck oder ein entlang der gemeinsamen Längsachse längliches Polygon. Solche länglichen Formen erlauben es den Bauraum in einer länglich gestreckten Hülle mit einem zylindrischen oder rechteckigen Querschnitt besonders gut auszunutzen. Darüber hinaus kann durch eine geeignete Wahl der Außenfläche beziehungsweise einer Außenkontur des Biegewandlersystems ein innerer Querschnitt einer länglich gestreckten Hülle im Wesentlichen vollständig eingenommen werden, beispielsweise ein Gehörgang abgedichtet werden.In particularly advantageous embodiments, an outer surface of the bending transducer system describes an oval elongated along the common longitudinal axis, a rectangle elongated along the common longitudinal axis or a polygon elongated along the common longitudinal axis, coplanar to the common flat layer. Such elongated shapes allow the installation space in an elongated shell with a cylindrical or rectangular cross-section to be used particularly well. In addition, by selecting the outer surface or an outer contour of the bending transducer system appropriately, an inner cross-section of an elongated shell can be essentially completely occupied, for example an ear canal can be sealed.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform sind die Biegewandler in Gruppen aus einem oder mehreren Biegewandlern eingeteilt, wobei in Gruppen mit mehreren Biegewandlern die mehreren Biegewandler entlang der gemeinsamen Längsachse hintereinander angeordnet sind. Bei einer solchen Anordnung würden sich die einzelnen Drücke, des von den jeweiligen verformbaren Elementen der Biegewandler bewirkten Volumenstroms, addieren. Folglich könnte durch vorteilhafte Staffelung beziehungsweise Gruppierung der Biegewandler und deren selektiven Aktivierung nicht nur ein gewünschter Druck beziehungsweise Schalldruck des in die Umgebung abgegebenen Volumenstroms gezielt gesteuert werden, sondern auch unterschiedliche SchallFrequenzen erzeugt werden. Beispielsweise können kurze Biegewandler im Bereich der Öffnungen angeordnet werden, da sie durch eine - relativ zu langen Biegewandlern - vergleichsweise hohe Steifigkeit gekennzeichnet sind, wodurch hohe Resonanzfrequenzen möglich sind. Sofern solche Biegewandler im Bereich der Öffnungen angeordnet sind, die die Kavitäten mit der Umgebung verbinden, können Resonanzen vermieden werden und somit eine Klangqualität beziehungsweise eine Hörqualität verbessert werden. Zusätzlich oder alternativ dazu sind gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform die Biegewandler in Gruppen aus einem oder mehreren Biegewandlern eingeteilt, wobei in Gruppen mit mehreren Biegewandlern die mehreren Biegewandler in der gemeinsamen Ebene quer zu der gemeinsamen Längsachse nebeneinander angeordnet sind. Analog zur Anordnung mehrere Biegewandler entlang der gemeinsamen Längsachse hintereinander, lässt sich bei einer Anordnung quer zu der gemeinsamen Längsachse nebeneinander ebenfalls ein gewünschter Schalldruck und eine Verortung des Schalls steuern.According to an expedient embodiment, the bending transducers are divided into groups of one or more bending transducers, wherein in groups with several bending transducers, the several bending transducers are arranged along the common longitudinal axis are arranged one behind the other. In such an arrangement, the individual pressures of the volume flow caused by the respective deformable elements of the bending transducers would add up. Consequently, by advantageously staggering or grouping the bending transducers and their selective activation, not only a desired pressure or sound pressure of the volume flow released into the environment could be controlled in a targeted manner, but also different sound frequencies could be generated. For example, short bending transducers can be arranged in the area of the openings, since they are characterized by a comparatively high rigidity - relative to long bending transducers - which makes high resonance frequencies possible. If such bending transducers are arranged in the area of the openings that connect the cavities with the environment, resonances can be avoided and thus sound quality or hearing quality can be improved. In addition or alternatively, according to a further expedient embodiment, the bending transducers are divided into groups of one or more bending transducers, whereby in groups with several bending transducers, the several bending transducers are arranged next to one another in the common plane transverse to the common longitudinal axis. Analogous to the arrangement of several bending transducers one behind the other along the common longitudinal axis, a desired sound pressure and a location of the sound can also be controlled when arranging them next to each other transversely to the common longitudinal axis.

Vorteilhafterweise verläuft der fluidische Volumenstrom - im Biegewandlersystem - der akustischen Vorrichtung in der Ebene der gemeinsamen ebenen Schicht des Biegewandlersystems. Aufgrund der beliebigen Gestaltung und Orientierung der Kavitäten und verformbaren Elemente der einzelnen Biegewandler des Biegewandlersystems kann ein gezielter Verlauf des fluidischen Volumenstroms in dem Biegewandlersystem vorgesehen und damit gesteuert werden. Somit kann der Volumenstrom gezielt an die Stelle geleitet werden, wo seine Wirkung auf seine Umgebung optimal ist.Advantageously, the fluidic volume flow - in the bending transducer system - of the acoustic device runs in the plane of the common flat layer of the bending transducer system. Due to the arbitrary design and orientation of the cavities and deformable elements of the individual bending transducers of the bending transducer system, a targeted course of the fluidic volume flow in the bending transducer system can be provided and thus controlled. The volume flow can thus be directed specifically to the place where its effect on its surroundings is optimal.

Um eine besonders vorteilhafte Wechselwirkung mit der Umgebung der akustischen Vorrichtung zu erreichen, ist das Biegewandlersystem so in dem Gehäuse gehalten, dass der fluidische Volumenstrom der akustischen Vorrichtung in einem Winkel zwischen 5° und 80°, zwischen 10° und 40°, oder zwischen 15° und 30° geneigt gegenüber der Längsachse des Gangs durch die Öffnungen des Biegewandlersystems hindurch tritt. Durch die Anordnung der Biegewandler relativ zur Längsachse des Gangs werden die verformbaren Elemente bezogen auf deren Orientierung, beispielsweise in Richtung des Trommelfells eines menschlichen Ohrs in einer anti-parallelen Art und Weise positioniert, so dass Resonanzen im Gehörgang minimiert werden. Darüber hinaus können eine höhere Packungsdichte der Biegewandler erreicht und höhere Schalldrücke - bezogen auf eine Querschnittsfläche des Gangs - erzielt werden, wobei eine größere akustische aktive Oberfläche der akustischen Vorrichtung erzeugt wird.In order to achieve a particularly advantageous interaction with the environment of the acoustic device, the bending transducer system is held in the housing in such a way that the fluidic volume flow of the acoustic device passes through the openings of the bending transducer system at an angle of between 5° and 80°, between 10° and 40°, or between 15° and 30° inclined to the longitudinal axis of the passage. By arranging the bending transducers relative to the longitudinal axis of the passage, the deformable elements are guided in relation to their orientation, for example in the direction of the eardrum of a human ear in an anti-parallel manner so that resonances in the ear canal are minimized. In addition, a higher packing density of the bending transducers can be achieved and higher sound pressures - related to a cross-sectional area of the canal - can be achieved, creating a larger acoustically active surface of the acoustic device.

Um die akustische Vorrichtung besonders effizient nutzen zu können, kann das akustische Biegewandlersystem über den durch die Öffnungen hindurchtretenden fluidischen Volumenstrom ein akustisches Signal aufnehmen und/oder abgeben. Dadurch ist das akustische Biegewandlersystem in der Lage gleichzeitig als Empfänger und/oder Sender von akustischen Signalen zu arbeiten, was wiederum die Flexibilität beim Einsatz der akustischen Vorrichtung erheblich erhöht. Dabei kann das Senden beziehungsweise der Empfang von akustischen Signalen abwechselnd oder kontinuierlich erfolgen.In order to be able to use the acoustic device particularly efficiently, the acoustic bending transducer system can receive and/or emit an acoustic signal via the fluid volume flow passing through the openings. This enables the acoustic bending transducer system to work simultaneously as a receiver and/or transmitter of acoustic signals, which in turn significantly increases the flexibility in using the acoustic device. The transmission or reception of acoustic signals can take place alternately or continuously.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die akustische Vorrichtung des Weiteren: eine Steuerungseinheit zum Ansteuern der einzelnen Biegewandler des Biegewandlersystems und eine Energieversorgungsquelle zum Betreiben der akustischen Vorrichtung. Aufgrund der vielfältigen Möglichkeiten der Miniaturisierung des akustischen Biegewandlersystems lassen sich zusätzlich trotz geringer Abmessungen der akustischen Vorrichtung weitere Bauelemente darin platzsparend aufnehmen. Dies trägt wesentlich zur Erhöhung des Tragekomforts und der Benutzerfreundlichkeit der akustischen Vorrichtung bei.According to an advantageous embodiment, the acoustic device further comprises: a control unit for controlling the individual bending transducers of the bending transducer system and a power supply source for operating the acoustic device. Due to the diverse possibilities for miniaturizing the acoustic bending transducer system, additional components can also be accommodated in a space-saving manner despite the small dimensions of the acoustic device. This contributes significantly to increasing the wearing comfort and user-friendliness of the acoustic device.

Um eine besonders hohe Flexibilität beim Einsatz der akustischen Vorrichtung zu erreichen, können zwei oder mehrere akustische Biegewandlersysteme in dem Gehäuse gehalten sein, wobei die gemeinsame ebene Schicht derselben parallel zueinander ausgerichtet ist. Dadurch können beispielsweise akustische Vorrichtungen in Form eines Substratstapels angeordnet bzw. hergestellt werden, wodurch hochkomplexe Strukturen bei gleichzeitig relativ geringen die Herstellungskosten umsetzbar sind. Darüber hinaus sind akustischen Vorrichtungen auf diese Art und Weise auch leicht individuell anpassbar. Schließlich kann durch eine Stapelung mehrerer akustische Biegewandlersysteme auch ein höherer Schalldruck erzeugt werden und/oder ein größerer darstellbarer Frequenzbereich abgedeckt werden.In order to achieve a particularly high level of flexibility when using the acoustic device, two or more acoustic bending transducer systems can be held in the housing, with the common flat layer of the same aligned parallel to one another. This means that, for example, acoustic devices can be arranged or manufactured in the form of a substrate stack, which makes it possible to implement highly complex structures while keeping manufacturing costs relatively low. In addition, acoustic devices can also be easily customized in this way. Finally, by stacking several acoustic bending transducer systems, a higher sound pressure can be generated and/or a larger displayable frequency range can be covered.

Die Akustische Vorrichtung kann vorteilhafterweise monolithisch aus mehreren Schichten bestehend aufgebaut werden, oder aus Substraten unterschiedlichen Materials, die über eine gemeinsame Schicht miteinander verbunden beziehungsweise gebondet sind. Dies kann beispielsweise in Form einer Anordnung eines Deckel-Wafers oberhalb bzw. eines Handling Wafers unterhalb eines gemeinsamen Device-Wafers erfolgen.The acoustic device can advantageously be constructed monolithically from several layers, or from substrates of different materials, which are are connected or bonded to one another in a common layer. This can be done, for example, in the form of an arrangement of a cover wafer above or a handling wafer below a common device wafer.

Um eine besonders raumsparende und kompakte Form der akustischen Vorrichtung bereitzustellen, ist die Steuerungseinheit und/oder die Energieversorgungsquelle in der gemeinsamen ebenen Schicht eines Biegewandlersystems angeordnet. Selbstredend ist die Steuerungseinheit eingerichtet: zur fluiddynamischen Dämpfung, zur Signalverarbeitung, zur Drahtlosen Kommunikation, zur Spannungstransformation. Sie kann Sensoren, Software, zur Speicherung von Daten, etc. enthalten, die einzelnen oder gemeinsam in derselben akustischen Vorrichtung angeordnet sind, oder alternativ getrennt von der akustischen Vorrichtung vorgesehen sind.In order to provide a particularly space-saving and compact form of the acoustic device, the control unit and/or the energy supply source is arranged in the common flat layer of a bending transducer system. The control unit is of course set up for: fluid-dynamic damping, signal processing, wireless communication, voltage transformation. It can contain sensors, software, data storage, etc., which are arranged individually or together in the same acoustic device, or alternatively are provided separately from the acoustic device.

Figurenkurzbeschreibungcharacter description

Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Hinsichtlich der dargestellten schematischen Figuren wird darauf hingewiesen, dass die dargestellten Funktionsblöcke sowohl als Elemente oder Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung als auch als entsprechende Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verstehen sind, und auch entsprechende Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens davon abgeleitet werden können. Es zeigen:

Fig. 1
zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Biegewandlersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2
zeigt in einer perspektivischen Darstellung das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 mit Substratebenen;
Fig. 3
zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Biegewandlersystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4
zeigt in einer perspektivischen Darstellung das Ausführungsbeispiel aus Fig. 3 mit Substratebenen;
Fig. 5
zeigt in einer Schnittdarstellung den Gehörgang, das Trommelfell und die Ohrmuschel eines menschlichen Ohres;
Fig. 6a
zeigt in einer perspektivischen Darstellung Elemente eines Biegewandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei einem Anregungszustand;
Fig. 6b
zeigt in einer perspektivischen Darstellung Elemente des Biegewandlers aus Fig. 6a gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei einem weiteren Anregungszustand;
Fig. 7
zeigt eine Querschnittsansicht des Biegewandlers gemäß der Ausführungsform aus Fig. 6a entlang der Schnittebene A;
Fig. 8
zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Biegewandlersystem gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9
zeigt eine Querschnittsansicht eines Biegewandlers gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Embodiments according to the present invention are explained in more detail below with reference to the accompanying figures. With regard to the schematic figures shown, it is pointed out that the functional blocks shown are to be understood both as elements or features of the device according to the invention and as corresponding method steps of the method according to the invention, and corresponding method steps of the method according to the invention can also be derived therefrom. They show:
Fig. 1
shows a perspective view of a bending transducer system according to an embodiment of the present invention;
Fig. 2
shows in a perspective view the embodiment from Fig. 1 with substrate levels;
Fig. 3
shows a perspective view of a bending transducer system according to a further embodiment of the present invention;
Fig. 4
shows in a perspective view the embodiment from Fig. 3 with substrate levels;
Fig. 5
shows a cross-sectional view of the ear canal, eardrum and auricle of a human ear;
Fig. 6a
shows in a perspective view elements of a bending transducer according to an embodiment of the present invention in an excitation state;
Fig. 6b
shows in a perspective view elements of the bending transducer from Fig. 6a according to an embodiment of the present invention in a further excitation state;
Fig. 7
shows a cross-sectional view of the bending transducer according to the embodiment of Fig. 6a along the cutting plane A;
Fig. 8
shows a perspective view of a bending transducer system according to a further advantageous embodiment of the present invention;
Fig. 9
shows a cross-sectional view of a bending transducer according to a further advantageous embodiment of the present invention.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß den FigurenDetailed description of the embodiments according to the figures

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist beziehungsweise aufeinander angewendet werden kann.Before embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the drawings, it is pointed out that identical, functionally identical or equivalent elements, objects and/or structures in the different figures are provided with the same or similar reference numerals, so that the description of these elements shown in different embodiments is interchangeable or can be applied to one another.

Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Biegewandlersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Form eines schichtförmigen Bauelements 100, das ein erstes Biegewandlersystem 1 und einem zweites Biegewandlersystem 2 umfasst, die übereinander gestapelt sind. Das Bauelement 100 kann weitere Biegewandlersysteme umfassen, die beispielsweise an dem Biegewandlersystem 1 und/oder an den Biegewandlersystem 2 schichtweise angeordnet sind. Ein Biegewandlersystem 1 bzw. ein Biegewandlersystem 2 umfasst mehrere Biegewandler 3, 4 die gleiche oder voneinander unterschiedliche vordefinierte Längen aufweisen. Auf der Oberfläche des Biegewandlersystems 1 ist exemplarisch eine Anordnung der Biegewandler 3, 4 unterschiedlicher Länge dargestellt. Dabei ist der Biegewandler 3 - mittels einer durchgehenden Linie gekennzeichnet - länger als der Biegewandler 4 - der mittels einer kurz gestrichelten Linie gekennzeichnet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist sowohl das Biegewandlersystem 1 als auch das Biegewandlersystem 2 L-förmig ausgebildet, so dass sich die beiden aufeinander gestapelten Biegewandlersysteme 1 und/oder 2 zu einem L-förmigen Bauelement 100 stapeln. Die einzelnen Schenkel des L-förmigen Bauelements 100 sind unterschiedlich lang ausgebildet. In einem Bereich eines kürzeren Schenkels des L-förmigen Bauelements 100 sind weitere Biegewandler 4 sowie Biegewandler 5 - mittels einer strichpunktierten Linie gekennzeichnet - angeordnet, die eine dritte Länge aufweisen. Die Längen der einzelnen Biegewandler 3, 4 und 5 betragen beispielsweise: Biegewandler 3 von 1000 µm bis 4000 µm; Biegewandler 4 von 500 µm bis 2000 µm; Biegewandler 5 von 100 µm bis 1000 µm. Fig. 1 shows a perspective view of a bending transducer system according to an embodiment of the present invention in the form of a layered component 100, which comprises a first bending transducer system 1 and a second bending transducer system 2, which are stacked on top of one another. The component 100 can comprise further bending transducer systems which are arranged in layers on the bending transducer system 1 and/or on the bending transducer system 2, for example. A bending transducer system 1 or a bending transducer system 2 comprises a plurality of bending transducers 3, 4 which have the same or different predefined lengths. An arrangement of the bending transducers 3, 4 of different lengths is shown as an example on the surface of the bending transducer system 1. The bending transducer 3 - indicated by a continuous line - is longer than the bending transducer 4 - which is indicated by a short dashed line. In the present exemplary embodiment, both the bending transducer system 1 and the bending transducer system 2 are L-shaped, so that the two bending transducer systems 1 and/or 2 stacked on top of one another stack to form an L-shaped component 100. The individual legs of the L-shaped component 100 are of different lengths. In an area of a shorter leg of the L-shaped component 100, further bending transducers 4 and bending transducers 5 - indicated by a dot-dash line - are arranged, which have a third length. The lengths of the individual bending transducers 3, 4 and 5 are, for example: bending transducer 3 from 1000 µm to 4000 µm; bending transducer 4 from 500 µm to 2000 µm; bending transducer 5 from 100 µm to 1000 µm.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können die einzelnen Längenverhältnisse gewählt werden beispielsweise: Biegewandler 3 zu Biegewandler 4 zwischen 1:1,5 bis 1:3; Biegewandler 3 zu Biegewandler 5 zwischen 1:1,5 bis 1:3; bzw. das Längenverhältnis des Biegewandlers 4 zum Biegewandler 5 zwischen 1:1,5 bis 1:3.According to a preferred embodiment, the individual length ratios can be selected, for example: bending transducer 3 to bending transducer 4 between 1:1.5 to 1:3; bending transducer 3 to bending transducer 5 between 1:1.5 to 1:3; or the length ratio of the bending transducer 4 to the bending transducer 5 between 1:1.5 to 1:3.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel setzen sich die einzelnen Biegewandlersysteme 1 oder 2 aus Biegewandlern 3, 4 und 5 zusammen, die parallel zueinander in einer Ebene des Biegewandlersystems 1 bzw. des Biegewandlersystems 2 angeordnet sind, wobei die einzelnen Biegewandler 3, 4 und 5 entlang des längeren Schenkels des L-förmigen Bauelements 100 ausgerichtet sind. Sternseitig in Längsrichtung des Bauelements 100 sind Öffnungen 13 vorgesehen, die eine Verbindung der im Biegewandlersystem 1 bzw. Biegewandlersystem 2 enthaltenen Kavitäten - hier nicht gezeigt - mit der Umgebung ermöglichen. Aufgrund der L-Form des Bauelements 100 sind die einzelnen Biegewandler 3, 4 und 5 derart angeordnet, dass kurze Biegewandler 4, 5 im kürzeren Schenkel des L-förmigen Bauelements 100 angeordnet sind, wobei die längeren Biegewandler 3 im längeren Schenkel des L-förmigen Bauelements angeordnet sindIn the present embodiment, the individual bending transducer systems 1 or 2 are composed of bending transducers 3, 4 and 5, which are arranged parallel to one another in a plane of the bending transducer system 1 or the bending transducer system 2, with the individual bending transducers 3, 4 and 5 being aligned along the longer leg of the L-shaped component 100. Openings 13 are provided on the star side in the longitudinal direction of the component 100, which enable the cavities contained in the bending transducer system 1 or bending transducer system 2 - not shown here - to be connected to the environment. Due to the L-shape of the component 100, the individual bending transducers 3, 4 and 5 are arranged in such a way that short bending transducers 4, 5 are arranged in the shorter leg of the L-shaped component 100, with the longer bending transducers 3 being arranged in the longer leg of the L-shaped component.

In diesem Ausführungsbeispiel sind die Biegewandler 3, 4 und 5 entlang der längsten Seite des Bauelements ausgerichtet. Davon abweichend können Ausführungsbeispiele aber auch eine Biegewandlerausrichtung entlang zur kürzesten Seite des Biegewandlersystems 1 und/oder 2 beziehungsweise Bauelements 100 enthalten. Die Öffnungen 13 sind dann entsprechend nicht im Bereich 13 angeordnet, sondern immer im Bereich der Einspannungen der beidseitig eingespannten Biegewandler 3, 4 oder im Bereich der Einspannung 14 und des frei beweglichen Endes eines einseitig eingespannten Biegewandlers 5.In this embodiment, the bending transducers 3, 4 and 5 are aligned along the longest side of the component. However, embodiments can also deviate from this and include a bending transducer alignment along the shortest side of the bending transducer system 1 and/or 2 or component 100. The openings 13 are then not arranged in the area 13, but always in the area of the clamps of the bending transducers 3, 4 clamped on both sides or in the area of the clamp 14 and the freely movable end of a bending transducer 5 clamped on one side.

Die Biegewandler 3, 4 und 5 sind derart angeordnet, dass kurze Biegewandler 5 in der Nähe der Öffnungen 13 angeordnet sind. Zum einen ergibt sich daraus der Vorteil, dass eine höhere Packungsdichte innerhalb des Biegewandlersystems 1 und/oder 2 erreicht werden kann und daraus höhere Schalldrücke resultieren. Zum anderen können so Resonanzen vermieden werden, was sich positiv auf die Klangqualität auswirkt.The bending transducers 3, 4 and 5 are arranged in such a way that short bending transducers 5 are arranged near the openings 13. On the one hand, this has the advantage that a higher packing density can be achieved within the bending transducer system 1 and/or 2, resulting in higher sound pressures. On the other hand, resonances can be avoided, which has a positive effect on the sound quality.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist angrenzend zu dem schichtförmigen Bauelement 100 eine Steuereinheit 21 derart angeordnet, dass sie komplementär zur L-Form des Bauelements 100 das Bauelement 100 zu einem rechteckförmigen Gebilde ergänzt. Dadurch wird zweckmäßig ein vorhandener Bauraum genutzt, der zwischen den Schenkeln des L-förmigen Bauelements 100 zur Verfügung steht, wobei ein besonders kompaktes Gebilde entsteht.In the present embodiment, a control unit 21 is arranged adjacent to the layered component 100 in such a way that it complements the L-shape of the component 100 and forms the component 100 into a rectangular structure. This makes practical use of the existing installation space available between the legs of the L-shaped component 100, resulting in a particularly compact structure.

Ausführungsbeispiele beschränken sich nicht auf die L-förmige Ausgestaltung der äußeren Abmessungen des Bauelements. Weitere Ausführungsbeispiele beschränken sich nicht auf die dargestellte Anordnung der Biegewandler 3, 4 und 5, vielmehr kann sich die Anordnung je Biegewandlersystem 1 oder 2 unterscheiden (vgl. Fig. 9).Embodiments are not limited to the L-shaped design of the external dimensions of the component. Further embodiments are not limited to the illustrated arrangement of the bending transducers 3, 4 and 5, rather the arrangement can differ for each bending transducer system 1 or 2 (cf. Fig. 9 ).

Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1. Zusätzlich ist eine Substratebene 9 einer Substratschicht dargestellt, die parallel zur Substratschicht verläuft. Weiterhin ist dargestellt, dass eine gemeinsame Bewegungsebene 10 aus den Bewegungsrichtungen 6, 7 und 8 der jeweiligen Biegewandler gebildet ist, wobei die verformbaren Elemente der Biegewandler 3, 4 und 5 komplanar in einer gemeinsamen ebenen Substratschicht beziehungsweise Bewegungsebene 10 schwingen. Die Bewegungsebene 10 und die Substratebene 9 sind parallel zueinander angeordnet. Fig. 2 shows in a perspective view the embodiment from Fig. 1 . In addition, a substrate plane 9 of a substrate layer is shown, which runs parallel to the substrate layer. It is also shown that a common movement plane 10 is formed from the movement directions 6, 7 and 8 of the respective bending transducers, wherein the deformable elements of the bending transducers 3, 4 and 5 oscillate coplanarly in a common flat substrate layer or movement plane 10. The movement plane 10 and the substrate plane 9 are arranged parallel to one another.

Fig. 3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Bauelements 100 mit zwei gestapelten Biegewandlersystemen 1 und 2, die eine ovale äußere Form aufweisen. Die Öffnungen 13 sind bevorzugt im Bereich der Einspannungen 14 der beidseitig eingespannten Biegewandler 3, 4 oder im Bereich der Einspannung 14 und des frei beweglichen Endes eines einseitig eingespannten Biegewandlers 5 angeordnet. Eine ovale äußere Geometrie bzw. Form des Bauelements 100 hat den Vorteil, dass es in einem zylinderförmigen oder annähernd zylinderförmigen Gehäuse eines ultramobilen Endgerätes gekippt angeordnet sein kann. Fig. 3 shows in a perspective view an embodiment of a component 100 with two stacked bending transducer systems 1 and 2, which have an oval outer shape. The openings 13 are preferably arranged in the area of the clamps 14 of the bending transducers 3, 4 clamped on both sides or in the area of the clamp 14 and the freely movable end of a bending transducer 5 clamped on one side. An oval outer geometry or shape of the component 100 has the advantage that it can be arranged tilted in a cylindrical or almost cylindrical housing of an ultra-mobile terminal device.

Dieses Ausführungsbeispiel zeigt eine Anordnung der Biegewandler 3, 4 und 5 entlang der längsten Ausrichtung der ovalen Bauelementgeometrie. Gleichermaßen können aber Ausführungsbeispiele davon abweichende Orientierungen der Biegewandler 3, 4 und 5 beinhalten. Darüber hinaus können Ausführungsbeispiele unterschiedliche Orientierungen der Biegewandler 3,4 und 5 je schichtartigen Biegewandlersystem 1 oder 2, 2+n enthalten.This embodiment shows an arrangement of the bending transducers 3, 4 and 5 along the longest orientation of the oval component geometry. However, embodiments can equally contain different orientations of the bending transducers 3, 4 and 5. In addition, embodiments can contain different orientations of the bending transducers 3, 4 and 5 for each layered bending transducer system 1 or 2, 2+n.

Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele sind nicht auf diese ovale Form beschränkt und sind an die gegeneben Platzverhältnisse und akustischen Randbedingungen angepasst bzw. anpassbar um einen maximalen Schalldruck zu erreichen.Further preferred embodiments are not limited to this oval shape and are adapted or adaptable to the available space and acoustic conditions in order to achieve maximum sound pressure.

Fig. 4 zeigt in einer perspektivischen Darstellung das Ausführungsbeispiel aus Figur 3. Zusätzlich ist eine Substratebene 9 dargestellt, die parallel zur Substratschicht verläuft, wobei die verformbaren Elemente der Biegewandler 3, 4 und 5 komplanar in einer gemeinsamen ebenen Substratschicht beziehungsweise Bewegungsebene 10 schwingen. Weiterhin ist dargestellt, dass eine Bewegungsebene 10 aus den Bewegungsrichtungen 6, 7 und 8 der jeweiligen Biegewandler gebildet ist. Die Bewegungsebene 10 und die gemeinsame ebene Substratschicht bzw. Substratebene 9 sind parallel zueinander angeordnet. Fig. 4 shows in a perspective view the embodiment from Figure 3 . In addition, a substrate plane 9 is shown, which runs parallel to the substrate layer, wherein the deformable elements of the bending transducers 3, 4 and 5 oscillate coplanarly in a common planar substrate layer or movement plane 10. It is also shown that a movement plane 10 is formed from the movement directions 6, 7 and 8 of the respective bending transducers. The movement plane 10 and the common planar substrate layer or substrate plane 9 are arranged parallel to one another.

Die Fig. 5 zeigt in einer Schnittdarstellung den Gehörgang 31, das Trommelfell 32 und die Ohrmuschel 30. Erkennbar ist, dass der Gehörgang eine zylinderförmige Geometrie bzw. Form aufweist. Mit 101 sind die äußeren Abmessungen eines ultramobilen Endgerätes, beispielsweise der äußeren Hülle seines Gehäuses, dargestellt, die an den Gehörgang 31 angepasst sind und diesen gegenüber der Umgebung im Wesentlichen abdichten. Derartige Gehäuse 101 können an den jeweiligen Nutzer angepasst sein, müssen aber in aufwendigen, meist additiven und langsamen Verfahren einzeln hergestellt werden. Sie ermöglichen aber einen optimalen Sitz eines ultramobilen Endgerätes im Gehörgang 31. Ausführungsbeispiele können auch eine von der individuell angepassten Geometrie abweichende, vereinfachte Geometrie, die in kostengünstigen Verfahren, beispielsweise Spritzgussverfahren hergestellt sind aufweisen. Diese Geometrien weisen keinen optimalen Sitz des ultramobilen Endgerätes bzw. seines Gehäuses 101 im Gehörgang auf, weshalb hohe Schalldrücke bei hoher Schallqualität erforderlich sind um diese Ungenauigkeiten auszugleichen. Die gegenüber der Längsachse 11 des Gehäuses 101 verkippte Anordnung des Bauelements 100 beziehungsweise des Biegewandlersystems 1 oder 2 ermöglicht es die akustisch aktive Oberfläche des Bauelements 100 beziehungsweise des Biegewandlersystems 1 oder 2 zu vergrößern um, zum einen eine höhere Anzahl an Biegewandlern 3, 4 und 5 im Biegewandlersystem 1 oder 2 anzuordnen und/oder, zum anderen längere Biegewandler 3, 4 und 5 im Biegewandlersystem 1 oder 2 zu integrieren. Das Bauelement 100 bzw. das Biegewandlersystem 1 oder 2 ist um eine Querachse 105 des ultramobilen Endgerätes in Bezug zur Längsachse 106 verkippt, wobei der Neigungswinkel α zwischen der Bewegungsebene 10 und der Längsachse 106 in einem Bereich zwischen 90° und 180°, bevorzugt 150° und 170° besonders bevorzugt 160° liegt.The Fig. 5 shows a sectional view of the auditory canal 31, the eardrum 32 and the auricle 30. It can be seen that the auditory canal has a cylindrical geometry or shape. 101 represents the external dimensions of an ultra-mobile terminal device, for example the outer shell of its housing, which are adapted to the auditory canal 31 and essentially seal it off from the environment. Such housings 101 can be adapted to the respective user, but must be manufactured individually in complex, usually additive and slow processes. However, they enable an ultra-mobile terminal device to fit optimally in the auditory canal 31. Embodiments can also use a geometry adapted to the individual have different, simplified geometries that are manufactured using cost-effective processes, such as injection molding. These geometries do not provide an optimal fit of the ultra-mobile terminal or its housing 101 in the ear canal, which is why high sound pressures with high sound quality are required to compensate for these inaccuracies. The tilted arrangement of the component 100 or the bending transducer system 1 or 2 with respect to the longitudinal axis 11 of the housing 101 makes it possible to enlarge the acoustically active surface of the component 100 or the bending transducer system 1 or 2 in order to, on the one hand, arrange a higher number of bending transducers 3, 4 and 5 in the bending transducer system 1 or 2 and/or, on the other hand, to integrate longer bending transducers 3, 4 and 5 in the bending transducer system 1 or 2. The component 100 or the bending transducer system 1 or 2 is tilted about a transverse axis 105 of the ultra-mobile terminal in relation to the longitudinal axis 106, wherein the angle of inclination α between the movement plane 10 and the longitudinal axis 106 is in a range between 90° and 180°, preferably 150° and 170°, particularly preferably 160°.

Durch die Anordnung der Aktuatoren relativ zur Gehäuseachse werden die verformbaren Elemente bezogen auf die Orientierung des Trommelfells in einer anti-parallelen Art und Weise positioniert. Das minimiert die Resonanzen im Gehörgang.By arranging the actuators relative to the housing axis, the deformable elements are positioned in an anti-parallel manner with respect to the orientation of the eardrum. This minimizes resonances in the ear canal.

Ausführungsbeispiele sind nicht auf die dargestellte Verkippung um die Querachse des Gehäuses 101 beschränkt. Es ist selbstverständlich auch möglich das Bauelement 100 um die Längs- und Hochachse 106 und 107 des Gehäuses 101 zu kippen.Embodiments are not limited to the illustrated tilting about the transverse axis of the housing 101. It is of course also possible to tilt the component 100 about the longitudinal and vertical axes 106 and 107 of the housing 101.

Fig. 6a zeigt in einer perspektivischen Darstellung Elemente eines Bauelements 100' gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei einem Anregungszustand. Fig. 6a shows in a perspective view elements of a component 100' according to an embodiment of the present invention in an excitation state.

Insbesondere zeigt die Figur 6a in einer perspektivischen und stark vereinfachten Darstellung einen Ausschnitt eines Bauelements 100' aus einem Substrat, ohne Darstellung eines Deckel-Wafers 18 und Handling-Wafers 19.In particular, the Figure 6a in a perspective and highly simplified representation of a section of a component 100' from a substrate, without showing a cover wafer 18 and handling wafer 19.

Die Akustische Vorrichtung kann vorteilhafterweise monolithisch aus mehreren Schichten bestehend aufgebaut werden, oder aus Substraten unterschiedlichen Materials, die über eine gemeinsame Schicht miteinander verbunden beziehungsweise gebondet sind. Dies kann beispielsweise in Form einer Anordnung eines Deckel-Wafers 18 oberhalb bzw. eines Handling Wafers 19 unterhalb eines gemeinsamen Device-Wafers 20 erfolgen.The acoustic device can advantageously be constructed monolithically from several layers, or from substrates of different materials that are connected or bonded to one another via a common layer. This can be done, for example, in the form of an arrangement of a cover wafer 18 above or a handling wafer 19 below a common device wafer 20.

Aus einem Device-Wafer 20 wird durch teilweises Entfernen des Werkstoffes eine Kavität 11 gebildet, die durch eine Berandung 17 und die jeweiligen beweglichen Elemente bzw. Elektroden der Biegewandler 32, 34 und 42, sowie durch das Substrat im Bereich der Einspannung 14 definiert ist. Ausführungsbeispiele beinhalten alternative Berandungen 17 der Kavität 11. Zum einen kann die Berandung 17 fest mit dem Substrat verbunden sein, zum anderen kann die Berandung 17 durch benachbarte Elektroden eines weiteren Biegewandlersystems 100', gebildet aus weiteren Biegewandlern 3, 4 und 5, bestehen. Die dargestellten Biegewandler 32, 34, 42, sowie 31, 32,41 sind in diesem Ausführungsbeispiel beidseitig eingespannt und über die jeweilige Einspannung 14 mit dem Substrat verbunden. Ausführungsbeispiele umfassen gleichermaßen eine einseitige Einspannung, die gegenüber einer beidseitigen Einspannung den Vorteil einer großen Auslenkung des frei beweglichen Endes hat..A cavity 11 is formed from a device wafer 20 by partially removing the material, which cavity is defined by a border 17 and the respective movable elements or electrodes of the bending transducers 3 2 , 3 4 and 4 2 , as well as by the substrate in the region of the clamping 14. Embodiments include alternative borders 17 of the cavity 11. On the one hand, the border 17 can be firmly connected to the substrate, on the other hand, the border 17 can consist of adjacent electrodes of a further bending transducer system 100', formed from further bending transducers 3, 4 and 5. The bending transducers 3 2 , 3 4 , 4 2 , and 3 1 , 3 2 , 4 1 shown are clamped on both sides in this embodiment and connected to the substrate via the respective clamping 14. Embodiments also include one-sided clamping, which has the advantage of a large deflection of the freely movable end compared to two-sided clamping.

Die Biegewandler 3, 4 und 5 können in einem Biegewandlersystem 1 und/oder 2 sowohl einseitig- als auch beidseitig eingespannt sein. Dabei ist es sinnvoll die kürzeren Biegewandler 4, 5, die im Bereich der Öffnungen 13 angeordnet sind einseitig einzuspannen und längere Biegewandler 3, die zur Bauteilmitte angeordnet sind beidseitig einzuspannen. Vorteilhaft ergibt sich dadurch eine größere Schwingungsamplitude bei höheren Frequenzen der kürzeren, einseitig eingespannten Biegewandler 5, da sich diese durch ein vorteilhaftes Verhältnis von Masse zu Biegewandlerlänge auszeichnen.The bending transducers 3, 4 and 5 can be clamped on one side or both sides in a bending transducer system 1 and/or 2. It is sensible to clamp the shorter bending transducers 4, 5, which are arranged in the area of the openings 13, on one side and to clamp the longer bending transducers 3, which are arranged towards the center of the component, on both sides. This advantageously results in a larger vibration amplitude at higher frequencies of the shorter, one-sidedly clamped bending transducers 5, since these are characterized by an advantageous ratio of mass to bending transducer length.

Weiterhin ist das prinzipielle Funktionsprinzip zur Interaktion mit einem Volumenstrom, beispielsweise zur Schallerzeugung oder zum Pumpen eines Fluids, in einem derartigen Biegewandlersystem 1 und/oder 2 dargestellt. In einem ersten Zeitintervall bewegen sich die Biegewandler31, 32,41 sowie 32, 34 und 42 in Richtung der gegenüberliegenden Berandung 17 der Kavität 11 und verkleinern somit das Volumen innerhalb dieser Kavität 11. Ein aus dieser Volumenverkleinerung resultierender Volumenstrom 16 befördert das in der Kavität 11 enthaltene Fluid, aus der Kavität 11 durch die Öffnungen 13 heraus.Furthermore, the basic functional principle for interaction with a volume flow, for example for generating sound or pumping a fluid, is shown in such a bending transducer system 1 and/or 2. In a first time interval, the bending transducers 3 1 , 3 2 , 4 1 as well as 3 2 , 3 4 and 4 2 move in the direction of the opposite edge 17 of the cavity 11 and thus reduce the volume within this cavity 11. A volume flow 16 resulting from this volume reduction transports the fluid contained in the cavity 11 out of the cavity 11 through the openings 13.

Die Figur 6b zeigt weiterhin das prinzipielle Funktionsprinzip zum Interagieren mit einem Volumenstrom, beispielsweise zur Schallerzeugung oder zum Pumpen eines Fluids in einem derartigen Biegewandlersystem 1 und/oder 2. In einem zweiten Zeitintervall bewegen sich die Biegewandler 31, 32,41 sowie 32, 34 und 42 von der gegenüberliegenden Berandung 17 der Kavität 11 weg und vergrößern somit das Volumen der Kavität 11. Der aus dieser Volumenvergrößerung resultierende Volumenstrom 16 befördert das Fluid durch die Öffnungen 13 in die Kavität 11 hinein.The Figure 6b further shows the basic functional principle for interacting with a volume flow, for example for generating sound or for pumping a fluid in such a bending transducer system 1 and/or 2. In a second time interval, the bending transducers 3 1 , 3 2 , 4 1 as well as 3 2 , 3 4 and 4 2 move away from the opposite edge 17 of the cavity 11 and thus increase the volume of the cavity 11. The volume flow 16 resulting from this volume increase transports the fluid through the openings 13 into the cavity 11.

Alternative Ausführungsbeispiele enthalten keine fest mit dem Substrat verbundene Berandung 17, sondern weitere Biegewandler, hier nicht gezeigt, die ein- und/oder beidseitig eingespannt sein können. In diesem Fall würden sich, in dem ersten Zeitintervall die benachbarten Biegewandlersysteme 1 und 2 voneinander weg bewegen um das Volumen der Kavität 11 zu vergrößern und aufeinander zu bewegen um das Volumen der Kavität zu verkleinern. Weiterbildende Ausführungsbeispiele können eine Kombination fester mit dem Substrat verbundener und/oder keine fest mit dem Substrat verbundene Berandung 17 umfassen.Alternative embodiments do not contain a border 17 firmly connected to the substrate, but rather additional bending transducers, not shown here, which can be clamped on one and/or both sides. In this case, in the first time interval, the adjacent bending transducer systems 1 and 2 would move away from one another in order to increase the volume of the cavity 11 and move towards one another in order to reduce the volume of the cavity. Further embodiments can comprise a combination of borders 17 firmly connected to the substrate and/or no borders 17 firmly connected to the substrate.

Fig. 7 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts aus einem Bauelement 100' entlang der Schnittebene A der Figur 6a. Dargestellt der Handling-Wafer 19 und Deckel-Wafer 18, die die vertikale Begrenzung der Kavität 11 bilden, die durch die Biegewandler 31 und 32 und der Berandung 17 im Bereich des Device-Wafers 20 begrenzt ist. Der Aufbau ist ein Schichtstapel, wobei die einzelnen Schichten miteinander mechanisch fest, insbesondere stoffschlüssig verbunden sind. Diese Schichten sind in der Figur nicht dargestellt. Die schichtweise Anordnung elektrisch leitfähiger Schichten ermöglicht eine einfache Ausgestaltung, da durch selektives Herauslösen aus der Schicht 20 die Kavität 11 erhalten werden kann und durch geeignete Einstellung der Herstellungs-Prozesse Biegewandlerstrukturen verbleiben können. Alternativ ist es ebenfalls möglich, die Biegewandlerstrukturen ganz oder teilweise durch andere Maßnahmen oder Prozesse in der Kavität 11 anzuordnen, etwa durch ein Erzeugen und/oder Positionieren in der Kavität 11. In diesem Fall können die Biegewandlerstrukturen gegenüber den in dem Substrat verbleibenden Teilen der Schicht 20 unterschiedlich gebildet sein, d. h. unterschiedliche Materialien aufweisen. Fig. 7 shows a cross-sectional view of a section of a component 100' along the cutting plane A of the Figure 6a . Shown are the handling wafer 19 and cover wafer 18, which form the vertical boundary of the cavity 11, which is limited by the bending transducers 3 1 and 3 2 and the edge 17 in the area of the device wafer 20. The structure is a layer stack, with the individual layers being mechanically firmly connected to one another, in particular by a material bond. These layers are not shown in the figure. The layer-by-layer arrangement of electrically conductive layers enables a simple design, since the cavity 11 can be retained by selectively removing it from the layer 20 and bending transducer structures can remain by suitably adjusting the manufacturing processes. Alternatively, it is also possible to arrange the bending transducer structures in whole or in part in the cavity 11 by other measures or processes, for example by creating and/or positioning them in the cavity 11. In this case, the bending transducer structures can be formed differently from the parts of the layer 20 remaining in the substrate, ie can have different materials.

Die Figur 8 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein alternatives Ausführungsbeispiel eines schichtförmigen Bauelements 100 mit einem oberen Biegewandlersystem 1, dass vertikal angeordnete Öffnungen 131 in einem Deckel-Wafer 181 zur Verbindung der Kavitäten 11 mit der Umgebung aufweist. Ein zweites Biegewandlersystem 2 ist unterhalb des oberen, ersten Biegewandlersystems 1 angeordnet und weist lateral angeordnete Öffnungen 13 in einem Device-Wafer 20 auf. Ausführungsbeispiele sind nicht auf das dargestellte System aus zwei Biegewandlersystemen 1 und 2 beschränkt, vielmehr kann lediglich ein Biegewandlersystem 1 oder 2 oder eine Vielzahl von Biegewandlersystemen 1, 2, ..., n angeordnet werden. In unmittelbarer Nähe ist eine Steuereinheit 21 angeordnet, die ein Bestandteil des Bauelements 100 ist und die zur Einschränkung des zur Verfügung stehenden Bauraums des Biegewandlersystems 1 führt und die mit den Biegewandlersystemen verbunden ist (nicht dargestellt). Weitere Öffnungen im Handling-Wafer 19 des oberen Biegewandlersystems 1 können so angeordnet sein, dass sie mit Öffnungen im Deckel-Wafer 18 des zweiten Biegewandlersystems 2 verbunden sind. Ausführungsbeispiele beinhalten, dass auf einen Handling-Wafer 19 des ersten Biegewandlersystems 1 verzichtet werden kann, wenn - unter Vorgriff auf Fig. 9 - der Device-Wafer 20' des zweiten Biegewandlersystems 2 diese Funktion übernehmen kann.The Figure 8 shows in a perspective view an alternative embodiment of a layered component 100 with an upper bending transducer system 1, which has vertically arranged openings 13 1 in a cover wafer 18 1 for connecting the cavities 11 with the environment. A second bending transducer system 2 is arranged below the upper, first bending transducer system 1 and has laterally arranged openings 13 in a device wafer 20. Embodiments are not limited to the system shown comprising two bending transducer systems 1 and 2, rather, only one bending transducer system 1 or 2 or a plurality of bending transducer systems 1, 2, ..., n can be arranged. A control unit 21 is arranged in the immediate vicinity, which has a Part of the component 100 and which leads to a restriction of the available installation space of the bending transducer system 1 and which is connected to the bending transducer systems (not shown). Further openings in the handling wafer 19 of the upper bending transducer system 1 can be arranged such that they are connected to openings in the cover wafer 18 of the second bending transducer system 2. Embodiments include that a handling wafer 19 of the first bending transducer system 1 can be dispensed with if - in anticipation of Fig. 9 - the device wafer 20' of the second bending transducer system 2 can take over this function.

Die Figur 9 zeigt in einer Querschnittsdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines alternativen Bauelements 100" mit einem oberen Biegewandlersystem 1, dass vertikal angeordnete Öffnungen 131 im Deckel-Wafer 18 aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Device-Wafer 20 und 20' über einen gemeinsame Substratschicht 22, die gleichermaßen einen Deckel-Wafer als auch Handling-Wafer darstellt miteinander mechanisch, insbesondere stoffschlüssig verbunden. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt exemplarisch wie Öffnungen 131, 13'1, 13"1, im Deckel-, Handling- oder Device-Wafer angeordnet sein können, um gegenüber der Schallrichtung optimal angeordnet zu sein. Die Schallrichtung kann demnach über den mit dem Umfeld interagieren Volumenstrom, der durch die Bewegung der verformbaren Elemente bzw. des Biegewandlers 31, 32, 3'1 und 3'2 des Bauelements 100" bestimmt werden.The Figure 9 shows in a cross-sectional view an embodiment of an alternative component 100" with an upper bending transducer system 1 that has vertically arranged openings 131 in the cover wafer 18. In this embodiment, the device wafers 20 and 20' are mechanically connected to one another, in particular by means of a material bond, via a common substrate layer 22, which represents both a cover wafer and a handling wafer. This embodiment shows by way of example how openings 13 1 , 13' 1 , 13" 1 can be arranged in the cover, handling or device wafer in order to be optimally arranged with respect to the direction of sound. The direction of sound can therefore be determined via the volume flow interacting with the environment, which is determined by the movement of the deformable elements or the bending transducer 3 1 , 3 2 , 3' 1 and 3' 2 of the component 100".

Ferner ist eine Anordnung des Biegewandlersystems als Schallwandlersystem dem Fachmann überlassen. Die hier aufgegriffene technische Lehre offenbart dem Fachmann Merkmale, wie eine Vielzahl an Biegewandlern angeordnet sein muss, um eine hohe akustische Qualität bei gleichzeitig breitem Frequenzbereich, in einem begrenzten, vordefinierten Bauraum zu erhalten.Furthermore, the arrangement of the bending transducer system as a sound transducer system is left to the expert. The technical teaching taken up here reveals to the expert features of how a large number of bending transducers must be arranged in order to achieve high acoustic quality with a broad frequency range in a limited, predefined installation space.

Darüber hinaus kann der Fachmann technische Lehren entnehmen, wie eine Bewegungsebene, die durch eine Vielzahl an Bewegungsrichtungen gebildet ist und gegenüber einer Längsachse und/ oder Querachse und/oder Hochachse der dem Schallwandlersystem umgebenden Raum geneigt sein kann.In addition, the person skilled in the art can derive technical teachings as to how a plane of movement which is formed by a plurality of directions of movement and can be inclined relative to a longitudinal axis and/or transverse axis and/or vertical axis of the space surrounding the sound transducer system.

Vordefinierte Räume sind beispielsweise die geometrischen Abmessungen, bedingt durch den Gehörgang, weitere Sensoren oder Systemtechnik:

  • zur fluiddynamischen Dämpfung
  • zur Signalverarbeitung
  • zur Drahtlosen Kommunikation
  • zur Spannungstransformation
  • zur Speicherung von Daten
  • zur Versorgung mit Energie
Predefined spaces are, for example, the geometric dimensions, determined by the ear canal, additional sensors or system technology:
  • for fluid dynamic damping
  • for signal processing
  • for wireless communication
  • for voltage transformation
  • for storing data
  • for the supply of energy

Vorteilhaft sollen kurze Biegewandler eines Biegewandlersystems dort angeordnet sein, wo wenig Platz zur Verfügung steht und/oder im Bereich der Öffnungen, die die Kavitäten mit der Umgebung verbinden. Diese Öffnungen befinden sich im Bereich der äußeren Grenzen des Biegewandlersystems. Dagegen sind lange Biegewandler vorwiegend zentral im Biegewandlersystem angeordnet. Das ergibt den Vorteil den vorhandenen Platz optimal auszunutzen um eine große Packungsdichte der einzelnen Biegewandler zu erreichen um den Schalldruckpegel dadurch zu vergrößern. Daneben ermöglichen längere Biegewandler, aufgrund ihrer geringeren Steifigkeit tiefere Resonanzfrequenzen. Kurze Biegewandler sind durch eine, vergleichsweise hohe Steifigkeit gekennzeichnet, wodurch hohe Resonanzfrequenzen möglich sind. Sofern diese Biegewandler im Bereich der Öffnungen, die die Kavitäten mit der Umgebung verbindet, angeordnet sind, können Resonanzen vermieden werden und somit die Klangqualität verbessert werden.It is advantageous for short bending transducers in a bending transducer system to be arranged where there is little space available and/or in the area of the openings that connect the cavities with the environment. These openings are located in the area of the outer limits of the bending transducer system. In contrast, long bending transducers are mainly arranged centrally in the bending transducer system. This has the advantage of making optimal use of the available space in order to achieve a high packing density of the individual bending transducers and thereby increase the sound pressure level. In addition, longer bending transducers enable lower resonance frequencies due to their lower rigidity. Short bending transducers are characterized by a comparatively high rigidity, which enables high resonance frequencies. If these bending transducers are arranged in the area of the openings that connect the cavities with the environment, resonances can be avoided and the sound quality can thus be improved.

Vorteile einer gekippten Anordnung in einem tubusartigen Raum, beispielsweise einem Gehörgang.Advantages of a tilted arrangement in a tube-like space, such as an ear canal.

Der Gehörgang ist näherungsweise ein Zylinder mit den Abmessungen L X D = 25 mm X 0,7 mm (Wiki).The ear canal is approximately a cylinder with the dimensions L X D = 25 mm X 0.7 mm (Wiki).

Die transversale, akustische Resonanz des abgeschlossenen Gehörganges (λ/2) liegt demnach bei UT≈ 235 kHz, die entsprechende longitudinale Resonanz bei UL = 6,6 kHz Eine Kopfhörermembran in "normaler, d.h. radialer" Ausrichtung wird durch die longitudinale Mode bei UL = 6,6 kHz angeregt und erzeugt so eine unerwünschte, hörbare Zusatzresonanz.The transverse acoustic resonance of the closed ear canal (λ/2) is therefore at U T ≈ 235 kHz, the corresponding longitudinal resonance at U L = 6.6 kHz. A headphone membrane in "normal, ie radial" orientation is excited by the longitudinal mode at U L = 6.6 kHz and thus generates an undesirable, audible additional resonance.

Eine Kopfhörermembran in "axialer" Lage wird in erster Näherung nur von der transversalen Mode bei UT ≈ 235 kHz angeregt. Das ist viel besser, weil akustisch völlig irrelevant!A headphone diaphragm in an "axial" position is, as a first approximation, only excited by the transverse mode at U T ≈ 235 kHz. This is much better because it is acoustically completely irrelevant!

Natürlich sollte die Größe des Biegewandlersystems (analog Membran) so gewählt werden, dass die tiefen Eigenfrequenzen der Membran nicht stören. Sie sollte also nicht zu groß sein. Bei 60° Neigung ist die erste Eigenfrequenz einer idealen Membran bei ca. 2 X 6,6 kHz = 13,2 kHz. Nach allem, was wir über den "real existierenden Kopfhörer" wissen ist das OK.Of course, the size of the bending transducer system (analogous to the membrane) should be chosen so that the low natural frequencies of the membrane do not cause interference. It should therefore not be too large. At a 60° inclination, the first natural frequency of an ideal membrane is around 2 x 6.6 kHz = 13.2 kHz. Based on everything we know about "real headphones", this is OK.

Durch die gekippte Anordnung des Biegewandlersystems kann eine größere Grundfläche des Biegewandlersystems im verfügbaren Raum angeordnet werden, auf der wiederum längere oder mehr Biegewandler angeordnet sein können. Durch den Einsatz einer größeren Anzahl an Biegewandlern sind höhere Schalldrücke erreichbar.Due to the tilted arrangement of the bending transducer system, a larger base area of the bending transducer system can be arranged in the available space, on which in turn longer or more bending transducers can be arranged. By using a larger number of bending transducers, higher sound pressures can be achieved.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Öffnungen optimal in Richtung der durch die äußeren Abmessungen gegebenen Schallrichtung angeordnet werden können. Beispielsweise zeigt Figur 8 vertikal angeordnete Öffnungen, die dann nahezu in Schallrichtung angeordnet sind, wenn das Bauelement im Gehörgang verkippt angeordnet ist.Another advantage is that openings can be optimally arranged in the direction of the sound given by the external dimensions. For example, Figure 8 vertically arranged openings, which are then arranged almost in the direction of sound when the component is tilted in the ear canal.

Die Anmeldung beschreibt somit eine Weiterentwicklung hinsichtlich der Optimierung der Schallquantität (Sound Pressure Level) und Schallqualität, die vom Bauelement in einer spezifischen Umgebung erbracht werden kann.The application thus describes a further development with regard to the optimization of the sound quantity (sound pressure level) and sound quality that can be provided by the component in a specific environment.

Hohe Integrationsanforderungen beziehen sich auf die Anpassung an vorhandenen Bauraum allgemein als auch auf die Systemgestaltung aus mehreren Komponenten. Beispielsweise sind in ultramobilen Endgeräten (bspw. Hearables Smartwatches) insbesondere die Energiespeicher als auch ggf. vorhandene weitere HMI-Komponenten (taktile Flächen, Displays) engen Grenzen der Bauraumgestaltung (zylindrisch/quaderförmig bzw. flächig ausgedehnt/plattenförmig) unterworfen. Um dennoch eine Minimierung des Bauraumes zu erreichen, ist es erforderlich den Schallwandler auf den verbleibenden Bauraum abzustimmen und so eine hohe Schallquantität zu ermöglichen.High integration requirements relate to adaptation to the available installation space in general as well as to the system design from several components. For example, in ultra-mobile devices (e.g. hearables smartwatches), the energy storage devices in particular as well as any other HMI components (tactile surfaces, displays) are subject to strict limits of the installation space design (cylindrical/cuboid-shaped or flat/plate-shaped). In order to achieve a minimization of the installation space, it is necessary to adapt the sound transducer to the remaining installation space and thus enable a high sound quantity.

Zusätzlich sind bei der Gestaltung der Systeme (ultramobile, wie Hearables bzw. Wearables allgemein) Aspekte der Schallqualität nicht zu vernachlässigen. Konkret kann durch eine spezifische Gestaltung der Schallwandlergruppen eine an die geometrischen Gegebenheiten angepasste Schallerzeugung hinsichtlich Schallabstrahlung erreicht werden. Maßgeblicher Treiber sind frequenzabhängige Effekte wobei insbesondere bei hohen Frequenzen störende Resonanzen auftreten können.In addition, aspects of sound quality cannot be neglected when designing systems (ultra-mobile, such as hearables or wearables in general). Specifically, a specific design of the transducer groups can achieve sound generation that is adapted to the geometric conditions in terms of sound radiation. The main drivers are frequency-dependent effects, whereby disturbing resonances can occur, particularly at high frequencies.

Mit der vorliegenden Erfindung kann sowohl die Schallqualität als auch Schallqualität signifikant verbessert werden.With the present invention, both the sound quality and sound quality can be significantly improved.

Das Prinzip des erfindungsgemäßen Biegewandlers beruht auf dem NED (Nanoscopic Electrostatic Drive, nanoskopischer elektrostatischer Antrieb) und ist in WO 2012/095185 A1 beschrieben. NED ist ein neuartiges MEMS (mikro elektromechanisches System) Aktuator-Prinzip. Grundlegendes Prinzip ist, dass sich ein Siliziumbalken lateral in einer Ebene, der Substratebene, die durch eine Siliziumscheibe oder einen Wafer definiert ist, bewegt. Dabei interagiert der Siliziumbalken, der mit dem Substrat in einer Kavität verbunden ist, mit einem Volumenstrom. Weiterhin umfasst das Bauelement eine elektronische Schaltung, die in einer Schicht des Schichtstapels angeordnet, wobei die elektronische Schaltung mit dem elektromechanischen Biegewandler verbunden ist und die ausgebildet ist, um den Biegewandler aufgrund eines elektrischen Signals auszulenken.The principle of the bending transducer according to the invention is based on the NED (Nanoscopic Electrostatic Drive) and is in WO 2012/095185 A1 described. NED is a novel MEMS (micro electromechanical system) actuator principle. The basic principle is that a silicon beam moves laterally in a plane, the substrate plane, which is defined by a silicon disk or wafer. The silicon beam, which is connected to the substrate in a cavity, interacts with a volume flow. Furthermore, the component comprises an electronic circuit arranged in a layer of the layer stack, wherein the electronic circuit is connected to the electromechanical bending transducer and which is designed to deflect the bending transducer based on an electrical signal.

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

11 Erstes BiegewandlersystemFirst bending transducer system 22 Zweites BiegewandlersystemSecond bending transducer system 33 Erster Biegewandler weist erste Länge aufFirst bending transducer has first length 44 Zweiter Biegewandler weist zweite Länge aufSecond bending transducer has second length 55 Dritter Biegewandler weist dritte Länge aufThird bending transducer has third length 66 Bewegungsrichtung des ersten Biegewandlerdirection of movement of the first bending transducer 77 Bewegungsrichtung des zweiten Biegewandlerdirection of movement of the second bending transducer 88 Bewegungsrichtung des dritten Biegewandlerdirection of movement of the third bending transducer 99 Substratebenesubstrate level 1010 Bewegungsebeneplane of movement 1111 Kavitätcavity 1212 Winkel zwischen Bewegungsebene und Längsachseangle between the plane of movement and the longitudinal axis 1313 Öffnungenopenings 1414 Einspannungclamping 1515 Berandung der Kavitätedge of the cavity 1616 Volumenstromvolume flow 1717 Berandung der Kavitätedge of the cavity 1818 Deckel-Waferlid wafer 1919 Handling-Waferhandling wafers 2020 Device-Waferdevice wafer 2121 ASICASIC 2222 Gemeinsame SubstratschichtCommon substrate layer 3030 Ohrmuschelauricle 3131 Gehörgangear canal 3232 Trommelfelleardrum 100100 Bauelementcomponent 100100 Ausschnitt aus einem Bauelementsection of a component 101101 Äußere Geometrie eines ultramobilen Endgeräts, beispielsweise eines GehäusesExternal geometry of an ultra-mobile device, for example a housing 102102 Länge des Bauelementslength of the component 103103 Breite des Bauelementswidth of the component 104104 Dicke des Bauelementsthickness of the component 105105 Eine Querachse des ultramobilen EndgerätesA transverse axis of the ultra-mobile device 106106 Längsachse des ultramobilen Endgeräteslongitudinal axis of the ultra-mobile device 107107 Hochachse des ultramobilen Endgerätesvertical axis of the ultra-mobile device 108108 Winkel αangle α

Claims (9)

  1. Acoustic bending converter system (1, 2) comprising
    a plurality of bending converters (3, 4, 5) configured such that deformable elements (31, 32, 41; 32, 34, 42; 31, 32, 3'1, 3'2) of the bending converters (3, 4, 5) oscillate coplanarly in a common planar layer (10), characterized in that the bending converters (3, 4, 5) comprise different resonance frequencies and different expansions of the deformable elements (31, 32, 41; 32, 34, 42; 31, 32, 3'1, 3'2) along a common longitudinal axis that is transversal to a direction of oscillation of the deformable elements (31, 32, 41 ; 32, 34, 42; 31, 32, 3'1, 3`2).
  2. Acoustic bending converter system (1, 2) according to claim 1, comprising:
    one or several cavities (11) where the bending converters (3, 4, 5) are arranged, and openings (13; 131, 13'1, 13"1) through which a fluidic volume flow (16) interacting with the plurality of bending converters (3, 4, 5) can pass.
  3. Acoustic bending converter system (1, 2) according to claim 1 or 2, wherein the deformable element (31, 32, 41; 32, 34, 42; 31, 32, 3'1, 3'2) of at least one bending converter (3, 4, 5) can be electrostatically, piezoelectrically or thermomechanically deformed.
  4. Acoustic bending converter system (1, 2) according to one of the preceding claims, wherein
    at least a first subset of at least one first bending converter (5) comprises at least one cantilevered deformable element, and
    at least a second subset of at least one second bending converter (3, 4) comprises one deformable element (31, 32, 41; 32, 34, 42; 31, 32, 3'1, 3'2) clamped on two sides each.
  5. Acoustic bending converter system (1, 2) according to claim 4, wherein
    the at least first subset of at least one first bending converter (5) comprises, on average, a higher resonance frequency than the at least second subset of at least one of the second bending converters (3, 4) or vice versa.
  6. Acoustic bending converter system (1, 2) according to claim 4 or 5, wherein
    the at least first subset of at least one first bending converter (5) comprises, on average, a shorter length than the at least second subset of at least one second bending converter (3, 4).
  7. Acoustic bending converter system (1, 2) according to one of the preceding claims, wherein
    outer dimensions of the bending converter system (1, 2) along the common longitudinal axis are between 750 µm and 2000 µm and particularly preferred between 850 µm and 1250 µm.
  8. Acoustic bending converter system (1, 2) according to one of the preceding claims, wherein
    an external surface of the bending converter system (1, 2) describes a longitudinal oval along the common longitudinal axis, a longitudinal rectangle along the common longitudinal axis or a longitudinal polygon along the common longitudinal axis, coplanar to the common planar layer.
  9. Acoustic bending converter system (1, 2) according to one of the preceding claims,
    wherein
    the bending converters (3, 4, 5) are divided into groups of one or several bending converters (3, 4, 5), wherein in groups having several bending converters (3, 4, 5) the several bending converters (3, 4, 5) are arranged behind one another along the common longitudinal axis;
    and/or wherein
    in groups of several bending converters (3, 4, 5), the several bending converters (3, 4, 5) in the common planar layer (10) are arranged side by side transversal to the common longitudinal axis.
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