專利名稱：音響裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子設(shè)備中用的音響裝置。
背景技術(shù)：
由于易于處理，通常使用電磁致動(dòng)器作為音響元件(如揚(yáng)聲器)的驅(qū)動(dòng)部件。電 磁致動(dòng)器包括永磁體、音圈以及振動(dòng)膜，并且通過使用該磁體的定子中磁路的操作，使由有 機(jī)膜制成并且固定在音圈上的低剛度振動(dòng)膜振動(dòng)。因此，它們表現(xiàn)出往復(fù)振動(dòng)模式，并且可 以提供大的振動(dòng)幅值。順帶地，近年來，隨著對(duì)蜂窩電話和個(gè)人計(jì)算機(jī)需求的增長，對(duì)節(jié)電致動(dòng)器的需求 正在增長。然而，電磁致動(dòng)器存在的問題在于由于大量電流在音圈中流動(dòng)以生成磁力，所 以難以減小功耗。另外，盡管需要減小蜂窩電話或個(gè)人計(jì)算機(jī)中安裝的致動(dòng)器的尺寸，但是 由于它的配置，難以減小厚度，因?yàn)槿糇鳛橹聞?dòng)器的部件之一的電磁致動(dòng)器中的永磁體減 小厚度，則磁極的指向?qū)⒉粫?huì)對(duì)齊，這導(dǎo)致不能確保穩(wěn)定的磁場(chǎng)，于是導(dǎo)致難以控制振動(dòng)的 膜與音圈的同步。另外，磁通量可能從音圈中泄漏，并且可能引起組成電子設(shè)備的其他電子 部件中的故障。這樣，在將致動(dòng)器應(yīng)用于電子設(shè)備時(shí)，需要電磁屏蔽。然而，這種屏蔽可能 需要大的空間。同樣是由于這一原因，電磁致動(dòng)器不適合用在比如蜂窩電話類的小型設(shè)備 中。另外，還存在這樣的問題如果音圈由較細(xì)的導(dǎo)線制成，并且具有大電阻，則可能會(huì)因用 來驅(qū)動(dòng)音圈的大量電流(這是電磁音響元件的特性)而使音圈燃燒。這樣，由于采用壓電元件作為驅(qū)動(dòng)部件的壓電致動(dòng)器具有諸如尺寸小、重量輕、功 耗低、無磁通量泄漏等特點(diǎn)，因而，希望采用壓電致動(dòng)器作為薄振動(dòng)元件，以代替電磁類型 振動(dòng)元件。壓電致動(dòng)器通過薄片狀的壓電元件的擴(kuò)張和收縮運(yùn)動(dòng)或者彎曲運(yùn)動(dòng)來生成振 動(dòng)。比如日本專利未審公開No. 168971/86的說明書中所公開的那樣，可以通過將壓電陶瓷 元件粘接到基底中來制造壓電致動(dòng)器。圖1A、1B示出傳統(tǒng)壓電致動(dòng)器的示例。圖IA表示一種壓電致動(dòng)器的分解透視圖。 將由壓電陶瓷制成的壓電體203固定于圓形基底202的中心區(qū)域，形成壓電元件201。由 圓形支撐構(gòu)件204支撐基底202的外圍邊緣。在把預(yù)定的AC電壓加于壓電體203時(shí)，壓電 體203實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展和收縮運(yùn)動(dòng)。通過壓電體203于基底202之間的固定部分的約束作用，在 基底202中引起沿面外方向的彎曲運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生振動(dòng)。如圖IB所示，基底202沿面外方 向振動(dòng)，其中支撐構(gòu)件204固定(作為節(jié)點(diǎn))并且中心部分運(yùn)動(dòng)，作為腹點(diǎn)。順帶地，由于壓電陶瓷具有高剛度，所以，壓電致動(dòng)器存在的問題在于與電磁致 動(dòng)器相比，它僅能按小的平均幅值振動(dòng)。具體地說，沿著它的周邊固定并且具有弧形振動(dòng)模 式(其中主要是中心部分變形)的壓電致動(dòng)器平均起來只按小幅值變形，這使得甚至更加 難以獲得足夠的振動(dòng)幅值。另外，由于壓電陶瓷的高剛度，振動(dòng)幅值在諧振頻率附近劇烈變 化，因此，難以獲得具有平坦頻率特性的振動(dòng)幅值。此外，壓電致動(dòng)器的諧振頻率很大程度上取決于它的形狀。當(dāng)把壓電致動(dòng)器應(yīng)用 于比如揚(yáng)聲器類的低頻音響部件時(shí)，必須增大壓電陶瓷元件的面積或者大大減小它的厚度，以便降低諧振頻率。然而，由于陶瓷材料的脆性，增大面積或減小厚度可能導(dǎo)致可靠性 變差，例如在處理期間破裂、由于落下而破損等等。這使壓電致動(dòng)器在許多情形中不適于實(shí) 際使用。另外，當(dāng)把致動(dòng)器應(yīng)用于電子設(shè)備時(shí)，由于壓電陶瓷具有大的振動(dòng)反作用力，所 以，振動(dòng)往往通過支撐構(gòu)件傳播到容納壓電致動(dòng)器的外殼。這種振動(dòng)的泄漏可能導(dǎo)致外殼 生成異常聲音的缺點(diǎn)。于是，為了解決前述問題，日本專利未審公開No. 2000-140759的說明書公開了一 種技術(shù)，其中，具有壓電陶瓷的振動(dòng)器和基底由沿著外殼周邊的彈簧支撐。將彈簧結(jié)構(gòu)的諧 振頻率設(shè)置在振動(dòng)器的諧振頻率附近。因?yàn)閺椈山Y(jié)構(gòu)中攜帶大量能量，所以可以獲得大的 振動(dòng)幅值。為了同樣的目的，日本專利未審公開No. 2001-17917的說明書公開一種技術(shù)，其 中，在基底的周邊區(qū)域中沿著其圓周設(shè)置狹縫，以便提供類似的功能。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)日本專利未審公開No. 2000-140759的說明書所公開的技術(shù)，大大增加了壓 電體的振動(dòng)位移。然而，因?yàn)楸仨氀刂c振動(dòng)器平面垂直的方向布置彈簧，以使振動(dòng)器能夠 垂直運(yùn)動(dòng)，從而增大了壓電致動(dòng)器的厚度。因此，這種技術(shù)并不適于厚度的減小。另外，由 于根據(jù)該專利文獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)，系將彈簧和振動(dòng)膜插入在外殼中，所以，非常難于將振動(dòng)膜布置 在最優(yōu)的位置處。另一方面，按照日本專利未審公開No. 2001-17917的說明書所公開的技術(shù)，必須 使圓形基底與圓形壓電陶瓷或矩形壓電陶瓷組合，因?yàn)槿艋讓?shí)質(zhì)上不是圓形的話，就難 以形成片簧。在前一種情形下，由于壓電陶瓷必須匹配圓形，所以制造步驟和成本都將增 加，這是由于要使陶瓷匹配圓形，并且預(yù)先形成較大的額外部分使生產(chǎn)率變差。另一方面， 在后一種情形中，由于不能以有效的方式將壓電陶瓷布置在基底的周邊區(qū)域中，所以，不能 高效地將振動(dòng)傳遞到基底，這使得難以獲得足夠的振動(dòng)位移。另外，在這兩種情形中，工作 時(shí)，為形成片簧而在盤上形成的狹縫會(huì)引起壓電陶瓷的支撐構(gòu)件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這在附著振動(dòng) 膜以便用作音響元件時(shí)會(huì)導(dǎo)致聲音失真。鑒于前述狀況，本發(fā)明的目的在于提供一種小而薄的壓電致動(dòng)器，無需增加尺寸， 就能夠產(chǎn)生大幅值的振動(dòng)，能夠調(diào)整諧振頻率，具有高可靠性，并且適用于電子設(shè)備。為了解決前述問題，按照本發(fā)明的一種壓電致動(dòng)器，它包括壓電元件，該元件具 有壓電體，所述壓電體具有至少兩個(gè)相對(duì)的表面，其中所述表面根據(jù)電場(chǎng)的狀態(tài)進(jìn)行擴(kuò)張 和收縮運(yùn)動(dòng)；約束構(gòu)件，用于在所述兩個(gè)表面中的至少一個(gè)表面上約束所述壓電元件；支 撐構(gòu)件，設(shè)置于所述約束構(gòu)件周圍；以及多個(gè)梁構(gòu)件，每個(gè)梁構(gòu)件的兩端分別固定到所述約 束構(gòu)件和所述支撐構(gòu)件上，并且，每個(gè)梁構(gòu)件沿實(shí)質(zhì)上與受約束表面平行的方向具有用于 彎曲的中性軸。在如此構(gòu)成的壓電致動(dòng)器中，由所述約束構(gòu)件與所述壓電元件之間的約束作用引 起振動(dòng)，并被所述梁構(gòu)件放大。然后約束構(gòu)件振動(dòng)。具體地說，如果在諧振頻率(由約束構(gòu) 件的物理特性、形狀、數(shù)目、壓電體的重量等確定)下引起振動(dòng)，則約束構(gòu)件嚴(yán)重位移，同時(shí) 限制了壓電體(其形變能力受到限制)的變形。這樣，可以使整個(gè)壓電體相對(duì)于支撐構(gòu)件大幅值振動(dòng)。另外，通過調(diào)整約束構(gòu)件的物理特性(材料)、數(shù)量等，能夠容易地控制諧振頻 率。因此，本發(fā)明可以提供薄而小的壓電致動(dòng)器，它能夠生成大的振動(dòng)幅值，無需改變外部 尺寸就可以調(diào)整諧振頻率，并且具有高可靠性。所述梁構(gòu)件可以是直梁。所述約束構(gòu)件可以具有用于約束壓電元件的基底，以及 從基底延伸出來以構(gòu)成梁構(gòu)件的多條臂。所述約束構(gòu)件還可以是與壓電體振動(dòng)方向不同的第二壓電元件。此外，壓電元件可以具有多個(gè)壓電體以及用于向所述壓電體施加電場(chǎng)的多個(gè)電極 層，其中，每個(gè)壓電體與每個(gè)電極層交替堆疊。另外，壓電元件可以是矩形平行六面體形狀。按照本發(fā)明的一種音響裝置，包括壓電元件，相對(duì)于平面成直角振動(dòng)；基底元 件，設(shè)置為與所述平面平行并且約束所述壓電元件；梁構(gòu)件，固定在所述基底元件上并且與 所述基底元件平行，每一個(gè)梁構(gòu)件具有比構(gòu)成所述壓電元件的陶瓷材料更低的剛度；以及 支撐構(gòu)件，連接至所述梁構(gòu)件。本發(fā)明的音響元件包括上述壓電致動(dòng)器，以及與所述壓電致動(dòng)器耦合的振動(dòng)膜， 用于通過從所述壓電致動(dòng)器傳遞過來的振動(dòng)而輻射聲音。此外，本發(fā)明的音響元件還可以具有夾在所述壓電致動(dòng)器與所述振動(dòng)膜之間的振 動(dòng)傳遞構(gòu)件。本發(fā)明的電子設(shè)備具有上述壓電致動(dòng)器或音響元件。本發(fā)明的音響裝置具有諧振頻率互不相同的多個(gè)音響元件，以便平滑聲壓的頻率 響應(yīng)。此外，本發(fā)明的電子設(shè)備具有這種音響裝置。如上所述，按照本發(fā)明的壓電致動(dòng)器，主要通過約束構(gòu)件的位移，整個(gè)壓電體相對(duì) 于支撐構(gòu)件大幅值振動(dòng)。此外，通過調(diào)整約束構(gòu)件的物理特性(材料)、數(shù)量等，可以容易地 控制諧振頻率。另外，即使包含所述壓電致動(dòng)器的電子設(shè)備掉落，由彈性材料制成的約束構(gòu) 件通過吸收碰撞能量，也能夠緩和對(duì)壓電體的碰撞。這樣，按照本發(fā)明，可以提供一種薄而 小的壓電致動(dòng)器，能夠生成大的振動(dòng)幅值，無需改變外部尺寸就可調(diào)整諧振頻率，并且具有 高可靠性。


圖IA是傳統(tǒng)壓電致動(dòng)器的分解透視圖；圖IB是表示傳統(tǒng)壓電致動(dòng)器振動(dòng)模式的概念示意圖；圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例壓電致動(dòng)器的分解透視圖；圖3是表示壓電致動(dòng)器基底的另一實(shí)施例的主視圖；圖4是表示圖2所示壓電致動(dòng)器振動(dòng)模式的概念示意圖；圖5是本發(fā)明第二實(shí)施例壓電致動(dòng)器的概念性截面視圖；圖6是表示圖5所示壓電致動(dòng)器振動(dòng)模式的概念示意圖；圖7是本發(fā)明第三實(shí)施例壓電元件的概念性截面視圖；圖8是本發(fā)明第四實(shí)施例壓電元件的概念性截面視圖；圖9是本發(fā)明第五實(shí)施例壓電致動(dòng)器的概念性截面視圖；圖10是表示振動(dòng)速度平均幅值測(cè)量點(diǎn)的示意圖IlA是表示振動(dòng)模式和振動(dòng)速度比的示意圖；圖IlB是表示振動(dòng)模式和振動(dòng)速度比的示意圖；圖12A是示例1壓電致動(dòng)器的主視圖；圖12B是示例1壓電致動(dòng)器的分解透視圖；圖13是比較例1壓電致動(dòng)器的概念性截面視圖；圖14是示例2壓電致動(dòng)器的主視圖；圖15是示例4壓電元件的概念性截面視圖；圖16是示例5壓電元件的分解透視圖；圖17是示例6壓電元件的概念性截面視圖；圖18是示例7音響元件的概念性截面視圖；圖19是比較例2音響元件的概念性截面視圖；圖20A是示例8音響元件的概念性截面視圖；圖20B是示例8音響元件中螺旋彈簧的概念示意圖；圖21是表示示例8音響元件安裝在蜂窩電話中的示意圖；圖22是比較例4音響元件的概念性截面視圖。參考標(biāo)號(hào)描述la、lc、ld、le、lf 壓電元件3a、3d、3e 壓電體3c 上壓電體3c ‘下壓電體21a、21b、21f 基底22a、22b、22c 梁構(gòu)件4a、4b、4c 支撐構(gòu)件31a、31c、31c'、31d、31e、31e‘上電極層32a、32c、32c'、32e、32e'下電極層33e上絕緣層33e'下絕緣層34振動(dòng)膜35中間絕緣層36絕緣層
具體實(shí)施例方式以下將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例壓電致動(dòng)器的分 解透視圖。壓電元件Ia具有上電極層31a和下電極層32a，它們被粘附到由陶瓷制成的壓 電體3a的相對(duì)表面上。比如膠水，可以使用環(huán)氧基膠水。實(shí)質(zhì)上為矩形平行六面體形狀的 壓電體3a沿厚度方向(圖中白箭頭所示)被極化。通過下電極層3 將壓電體3a固定到 矩形基底21a。具體地說，壓電元件具有壓電體，所述壓電體包括至少兩個(gè)相對(duì)表面，它們根 據(jù)電場(chǎng)的狀態(tài)進(jìn)行擴(kuò)張和收縮運(yùn)動(dòng)，并且基底21a是約束構(gòu)件，用于通過這兩個(gè)表面中的 至少一個(gè)來約束壓電元件。基底21a可以由剛度比構(gòu)成壓電體3a的陶瓷材料低得多種材料制成，比如包括鋁合金、磷青銅、鈦、鈦合金等在內(nèi)的金屬，以及包括環(huán)氧樹脂、丙烯酸、聚 酰亞胺、聚碳酸酯樹脂等在內(nèi)的樹脂類材料。壓電體3a不必是矩形平行六面體形狀，而可 以是比如取決于與安裝空間的關(guān)系，可以是其他形狀(如圓柱形狀)。其中具有矩形孔的支撐構(gòu)件如布置在基底21a周邊附近。梁構(gòu)件2 連接支撐 構(gòu)件如和基底21a。梁構(gòu)件2 從基底21a的每一邊延伸到支撐構(gòu)件如的相對(duì)邊，并且， 兩端分別在接頭處固定到基底21a和支撐構(gòu)件4。所述梁構(gòu)件2 可由與基底21a類似的 材料制成。然而，支撐構(gòu)件如不限于特定形狀。比如可以使用環(huán)形構(gòu)件(見圖12)而不是帶 有孔的矩形形狀。作為另一種選擇，梁構(gòu)件2 和基底21a可以是一體的，而不是分別制造 的構(gòu)件。比如可以采用十字形基底21b。如圖3所示，將壓電元件Ia布置在交叉區(qū)域中， 并在該區(qū)域周圍而且是從它的各邊延伸出的四條直臂(梁構(gòu)件22b)固定到周圍的支撐構(gòu) 件4b，由此每條臂充當(dāng)梁構(gòu)件22b，并且可以獲得類似的效果。按照這種配置，通過僅僅切 除矩形基底材料的四角，可以將梁構(gòu)件22b整體形成為基底21的一部分，由此提高壓電致 動(dòng)器的生產(chǎn)率以及可靠性，因?yàn)閷弘娫蘒a的區(qū)域與梁構(gòu)件22b連接起來的接頭并不容 易受到老化的影響。梁構(gòu)件2 彎曲并變形，從而整個(gè)壓電元件Ia沿基底21a的面外方向中振動(dòng)。由 壓電元件Ia和梁構(gòu)件2 組成的振動(dòng)系統(tǒng)沿著基底21a的面外方向的彎曲振動(dòng)具有固有 頻率，并在固有頻率處以大幅值沿上下方向諧振和振動(dòng)。固有頻率由物理性質(zhì)(主要為楊 氏模量)、截面形狀、長度和梁構(gòu)件2 的數(shù)量以及基底和壓電體3a的重量等確定。接下去 將詳細(xì)描述產(chǎn)生振動(dòng)的機(jī)制。首先，當(dāng)將AC電場(chǎng)施加于壓電元件Ia的上電極層31a和下電極層3 時(shí)，壓電元 件Ia進(jìn)行擴(kuò)張和收縮運(yùn)動(dòng)。具體地說，壓電元件Ia根據(jù)電場(chǎng)指向交替重復(fù)壓電體3a被壓 縮的變形模式[其中上電極層31a和下電極層3 所固定的表面擴(kuò)張，而壓電體3a的高度 (上電極層31a與下電極層3 間的間隔)減小]和壓電體3a沿著高度方向伸長的變形模 式(其中上電極層31a和下電極層3 所固定的表面收縮，而壓電體3a的高度增加)。結(jié) 果，當(dāng)固定表面擴(kuò)張時(shí)，由于基底21a與壓電體3a之間的約束，基底21a的表面變形為沿著 與壓電體3a相對(duì)的方向彎曲。相反，當(dāng)固定表面收縮時(shí)，基底21a的表面變形為朝向壓電 體3a彎曲。借助這些運(yùn)動(dòng)，基底21a的周圍邊緣上下振動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)傳遞到與基底21a附 著在一起的多個(gè)梁構(gòu)件22a。由于梁構(gòu)件22a固定到支撐構(gòu)件4，所以，梁構(gòu)件2 和由梁 構(gòu)件2 支撐的壓電元件Ia圍繞支撐構(gòu)件如沿上下方向大幅值振動(dòng)。圖4以概念性的方式示出壓電致動(dòng)器的振動(dòng)模式。由于梁構(gòu)件22a的變形相對(duì)較 大，所以，盡管壓電體3a的變形相對(duì)較小，但是所得到的振動(dòng)模式表現(xiàn)出活塞類型，而不是 如圖IB所示的弧形振動(dòng)模式。這樣，可以導(dǎo)致壓電元件Ia沿垂直方向進(jìn)行大的往復(fù)運(yùn)動(dòng)， 而不會(huì)弓I起壓電體3a的大變形或扭曲。本發(fā)明的壓電致動(dòng)器還具有下列優(yōu)點(diǎn)。首先，通過改變梁構(gòu)件2 的材料特性、數(shù)量、寬度以及長度等，可以容易地調(diào)整 本發(fā)明壓電致動(dòng)器的振動(dòng)特性。因此，當(dāng)制造具有不同振動(dòng)特性的壓電致動(dòng)器時(shí)，簡單地通 過修改梁構(gòu)件22a，就可以容易地改變諧振頻率，而無需改變外部尺寸。另外，在更廣的范圍 中的元件標(biāo)準(zhǔn)化和共同使用，又都有助于減小成本。
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其次，由于對(duì)壓電元件3a和支撐構(gòu)件如的配置限制較少，所以本發(fā)明的壓電致動(dòng) 器在適應(yīng)其中安裝該壓電致動(dòng)器的設(shè)備中的空間方面是占優(yōu)的。特別是與具有圓形壓電元 件的壓電致動(dòng)器相比，本發(fā)明的壓電致動(dòng)器在生產(chǎn)率方面占優(yōu)，因?yàn)楸景l(fā)明的壓電致動(dòng)器 利用矩形的壓電元件3a，這樣也可以使基底21a和梁構(gòu)件2 形成為簡單形狀。第三，由于不需要大大減小昂貴的壓電元件的厚度就能降低壓電致動(dòng)器的諧振頻 率，所以可以容易地確保壓電元件的強(qiáng)度。另外，當(dāng)包含壓電致動(dòng)器的電子設(shè)備掉下時(shí)，由 于陶瓷部分受到的碰撞扭曲，傳統(tǒng)的壓電致動(dòng)器易于破損(如破裂)，而在本發(fā)明中，由于 碰撞扭曲主要是由梁構(gòu)件22a吸收，所以就能避免陶瓷部分的碰撞扭曲，這導(dǎo)致更高的機(jī) 械可靠性。由于這些優(yōu)點(diǎn)，可以容易地以較低的成本生產(chǎn)低頻音響元件。第四，由于梁構(gòu)件2 完全粘附并固定到支撐構(gòu)件4，所以當(dāng)壓電致動(dòng)器振動(dòng)時(shí)， 接頭充當(dāng)振動(dòng)節(jié)點(diǎn)。因此，振動(dòng)不那么容易通過這些接頭從壓電致動(dòng)器傳播到電子設(shè)備，這 導(dǎo)致更高的可靠性，并且，由于接頭振動(dòng)所導(dǎo)致的疲勞斷裂以及產(chǎn)生異常聲音的可能性都 會(huì)更低。如上所述，按照本發(fā)明，可以提供一種結(jié)構(gòu)簡單、可靠性和生產(chǎn)率高并且能夠容易 地產(chǎn)生大幅值振動(dòng)的壓電致動(dòng)器。另外，本發(fā)明的壓電致動(dòng)器的應(yīng)用不限于蜂窩電話。本發(fā)明的壓電致動(dòng)器例如可 以提供功能部件，例如這樣的照相機(jī)模塊通過利用加于壓電致動(dòng)器的電量調(diào)整位移或振 動(dòng)幅值，具有高度準(zhǔn)確的變焦功能以及防止手抖動(dòng)的焦距調(diào)整功能等。因此，包含本發(fā)明的 壓電致動(dòng)器的電子設(shè)備的工業(yè)價(jià)值還將提高。圖5表示本發(fā)明第二實(shí)施例壓電致動(dòng)器的概念性截面視圖。圖6表示該實(shí)施例壓 電致動(dòng)器的振動(dòng)模式。通過將兩個(gè)沿壓電體厚度方向極化的壓電體粘附在一起所形成的壓 電致動(dòng)器通常稱作雙壓電晶片。本實(shí)施例是本發(fā)明的概念在雙壓電晶片中的應(yīng)用。如圖5 所示，壓電元件Ic是層狀結(jié)構(gòu)，其中將上壓電體3c和下壓電體3c'粘接在一起，它們之間 夾有絕緣層36。具體地說，使上壓電體3c夾在上電極層31c與下電極層32c之間。使下壓 電體3c'夾在上電極層31c'與下電極層32c'之間。絕緣層36位于下電極層32c與上電 極層31c'之間。換句話說，這種壓電致動(dòng)器具有第二壓電體，該第二壓電體具有下壓電體 3c ‘、上電極層31c'以及下電極層32c'。另外，上壓電體3c和下壓電體3c'沿彼此相反 的方向(如圖中白箭頭所示)被極化。在另一種可供選擇的實(shí)施例中，可將基底21a用作 絕緣層36。具體地說，可以使壓電致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)成為使第一實(shí)施例中的上電極層31a、壓 電體3a以及下電極層3 在基底21a之下鏡像對(duì)稱地排列。當(dāng)AC電場(chǎng)施加于壓電元件Ic時(shí)，上壓電體3c或下壓電體3c'之一擴(kuò)張而另一 個(gè)收縮，從而壓電元件Ic可以通過上壓電體3c與下壓電體3c'之間的互相約束作用實(shí)現(xiàn) 自彎曲振動(dòng)，有如圖6所示者。于是，本實(shí)施例的壓電元件Ic中不需要基底。另外，在把與 第一實(shí)施例相同的AC電壓加于每個(gè)電極時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)度和驅(qū)動(dòng)力分別加倍，并且振動(dòng)幅值成四倍。圖7示出本發(fā)明第三實(shí)施例壓電致動(dòng)器的概念性截面視圖。雖然只表示了壓電元 件，但是可按比如與第一實(shí)施例相似的方式來配置梁構(gòu)件和支撐構(gòu)件。壓電元件Id形成為 層狀結(jié)構(gòu)，其中交替層疊壓電體3d和電極層31d。交替地沿相反方向極化每個(gè)壓電體31d， 并且還以如下方式對(duì)壓電體31d實(shí)行電連接電場(chǎng)交替地指向相反方向。這樣，在加給電場(chǎng)時(shí)，所有壓電體3d以相同方式變形，結(jié)果，振動(dòng)幅值正比于壓電體的層數(shù)增加。圖8示出本發(fā)明第四實(shí)施例壓電致動(dòng)器的概念性截面視圖。通過在第二實(shí)施例中 于壓電體兩側(cè)及致動(dòng)器中心部分中設(shè)置絕緣層，以形成本實(shí)施例。具體地說，使上壓電體3e 夾在上電極層31e與下電極層3 之間，并使下壓電體!Be'夾在上電極層31e'與下電極 層32e'之間。繼而，在上電極層31e上設(shè)置上絕緣層33e，并在下電極層32e'下設(shè)置下絕 緣層33e'。另外，在下電極層32e與上電極層31e'之間設(shè)置中間絕緣層35e。即使使用 金屬基底進(jìn)行粘接時(shí)，這種層狀結(jié)構(gòu)也能防止向基底的電泄漏，并且使得能夠安全處理。圖9示出本發(fā)明第五實(shí)施例壓電致動(dòng)器的概念性截面視圖。該實(shí)施例的壓電元 件If包括粘接在基底21f下側(cè)的振動(dòng)膜34?？蓪⒓埢蛴袡C(jī)膜(例如，聚對(duì)苯二甲酸乙二 醇酯)用作振動(dòng)膜34的基礎(chǔ)材料。振動(dòng)膜34抑制諧振頻率附近振動(dòng)幅值的陡然變化，使 得能夠制成具有平坦聲壓和頻率特性的音響元件(如揚(yáng)聲器和接收機(jī))。如果使用有機(jī)膜 (絕緣材料)作為振動(dòng)膜34的基礎(chǔ)材料，則可以通過電鍍技術(shù)等在這種基礎(chǔ)材料上形成連 接到壓電元件21f的金屬導(dǎo)線，從而可以將金屬導(dǎo)線用作電接線端引線。這種結(jié)構(gòu)也能提 高可靠性，因?yàn)榭梢员苊馔ㄟ^電極材料來進(jìn)行電傳導(dǎo)。作為選擇，可將振動(dòng)膜34設(shè)置在壓 電元件If與基底21f之間。可以借助傳遞振動(dòng)的材料(如橡膠、海綿橡膠等)將振動(dòng)膜粘接到基底21f。可以 實(shí)現(xiàn)使頻率特性平坦化的更高效果。作為選擇，可將諧振頻率互不相同的多個(gè)壓電致動(dòng)器 粘接到振動(dòng)膜，以便應(yīng)用于電子設(shè)備。得到的音響設(shè)備可以在寬的頻率范圍中表現(xiàn)出平坦 的聲壓。[示例]為評(píng)價(jià)本發(fā)明的效果，根據(jù)下列示例1-9以及比較例1-4評(píng)價(jià)本發(fā)明壓電致動(dòng)器 的特性。評(píng)價(jià)項(xiàng)目如下。(評(píng)價(jià)1)諧振頻率的測(cè)量在加給IV的AC電壓時(shí)測(cè)量諧振頻率。(評(píng)價(jià)2)振動(dòng)速度的最大幅值在加給IV的AC電壓時(shí)，測(cè)量諧振頻率下振動(dòng)速 度的最大幅值。(評(píng)價(jià)3)振動(dòng)速度的平均幅值如圖10所示，在沿壓電元件1縱向相等間隔的20 個(gè)測(cè)量點(diǎn)(圖中由1-20表示)處測(cè)量振動(dòng)速度的幅值，并且計(jì)算它們的平均值。(評(píng)價(jià)4)振動(dòng)模式如圖IlA和IlB所示，用振動(dòng)速度比，它被定義為振動(dòng)速度的 平均幅值Vm除以振動(dòng)速度的最大幅值Vmax，評(píng)價(jià)振動(dòng)模式。圖中的曲線代表振動(dòng)速度幅值 的分布。較小的振動(dòng)速度比意味著如圖IlA所示的彎曲(弧形)運(yùn)動(dòng)。較大的振動(dòng)速度比 意味著如圖IlB所示的往復(fù)(活塞類型)運(yùn)動(dòng)。在本說明書中，當(dāng)振動(dòng)速度比為80%或更 大時(shí)，將被運(yùn)動(dòng)定義為往復(fù)運(yùn)動(dòng)；而當(dāng)振動(dòng)速度比小于80%時(shí)將被定義為彎曲運(yùn)動(dòng)。(評(píng)價(jià)5)Q值在加給IV的AC電壓時(shí)測(cè)量諧振頻率處的Q值。當(dāng)Q值變低時(shí)，聲 壓的頻率特性變平坦。(評(píng)價(jià)6)聲壓水平的測(cè)量在加給IV的AC電壓時(shí)測(cè)量聲壓水平。(評(píng)價(jià)7)掉落碰撞測(cè)試將安裝有壓電致動(dòng)器的蜂窩電話從50cm高處掉下五次， 以實(shí)行掉落碰撞穩(wěn)定性測(cè)試。具體地說，在掉落碰撞測(cè)試之后，視覺地檢查斷裂(如裂紋)， 另外，在測(cè)試之后測(cè)量聲壓特性。[示例 1]圖12A、12B所示的壓電致動(dòng)器。圖12A示出基底、梁構(gòu)件以及支撐構(gòu)件的俯 視平面圖。圖中各值的單位都是毫米。圖12B依次示出壓電元件的分解同時(shí)圖。示例1的 壓電致動(dòng)器具有壓電元件101a、基底121a、支撐構(gòu)件10 以及梁構(gòu)件122a。利用環(huán)氧基膠 水將壓電構(gòu)件IOla粘接到基底121a，并通過四個(gè)梁構(gòu)件12 將基底121a連接到支撐構(gòu)件 104ao如圖12B所示，壓電元件IOla是單層類型的壓電元件，由上絕緣層133a、上電極層 131a、壓電體103a、下電極層13 以及下絕緣層133a'組成。上絕緣層133a和下絕緣層 133a'的長度為10mm，寬度為10mm，并且厚度為50 μ m。壓電體103a的長度為10mm，寬度 為10mm，并且厚度為300 μ m。上電極層131a和下電極層13 中每一個(gè)的厚度都是3 μ m。 因此，壓電元件101的形狀是IOmm正方形方，并且厚度約為0. 4mm。鋯鈦酸鉛基陶瓷用作壓電體103a、上絕緣層133a以及下絕緣層133a'，而銀/鈀 合金(重量比為70% 30% )用作上電極層131a和下電極層13加。通過基板法(green sheet method)制造壓電元件，并在1100°C條件下在空氣中燒結(jié)兩個(gè)小時(shí)。然后，形成厚度 為8μπι的銀電極，作為連接到電極層的外部電極，然后，極化壓電體103a。隨后用厚度為 8μπι的銅箔將上絕緣層133a的表面上形成的各電極焊盤136a連接在一起，然后再用直徑 為1mm、高度為0. 5mm的焊料部分(未示出)將直徑為0. 2mm的兩條電極接線端引線115焊 接到各焊盤上。由厚度為0. 05mm的磷青銅制成基底121a。通過切割，將基底121a形成圖12A所示 的形狀。由SUS304制成附著到基底121a的四個(gè)梁構(gòu)件122a，并且所有構(gòu)件都具有相同形 狀，寬度為4mm，長度為4mm，并且厚度為0. 2mm。梁構(gòu)件12 連接大環(huán)形的支撐構(gòu)件104a。以前述方式制成的本示例壓電致動(dòng)器是小而薄的壓電致動(dòng)器，它的是直徑為 16mm，且厚度為0.45mm的圓形形狀。該壓電致動(dòng)器提供如圖IlB所示的往復(fù)振動(dòng)模式，諧 振頻率為5^HZ，振動(dòng)速度的最大幅值是180mm/s，并且最大振動(dòng)速度比是0. 83。[比較例1]為了確認(rèn)示例1的效果，制作圖13所示的傳統(tǒng)壓電致動(dòng)器。以與示例1相似的 方式制作長度為16mm，寬度為8mm并且厚度為0. 4mm的壓電元件1101a，然后粘接金屬盤 1105(磷青銅，厚度為0. Imm)，制成壓電致動(dòng)器，隨后用支撐構(gòu)件110 連接兩端。所制成的壓電致動(dòng)器給出有如圖IlA所示的弧形振動(dòng)模式，諧振頻率為 ^9ΗΖ，振 動(dòng)速度的最大幅值是1480mm/s，并且最大振動(dòng)速度比是0. 47。從示例1與比較例1的比較中確認(rèn)，可以提供諧振頻率低、振動(dòng)幅值大并且振動(dòng)幅 值平坦的壓電致動(dòng)器。[示例 2]在示例2中，將附著于基底的梁構(gòu)件的數(shù)目從示例1中的四個(gè)改變?yōu)閮蓚€(gè)，以便確 認(rèn)諧振頻率的減小程度。如圖14所示，除了梁構(gòu)件的數(shù)目之外，各條件都與示例1中相同。 該壓電致動(dòng)器是直徑為16mm且厚度為0.45mm的圓形。圖中各值的單位都是毫米。該壓電 致動(dòng)器給出往復(fù)振動(dòng)模式，諧振頻率為498HZ，振動(dòng)速度的最大幅值是172mm/s，并且最大 振動(dòng)速度比是0. 86。從示例1與示例2之間的比較確認(rèn)，通過改變梁構(gòu)件的數(shù)目，可以降低諧振頻率， 而不會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)模式或振動(dòng)速度幅值的大的改變。
10
[示例 3]在示例3中，采用示例2的結(jié)構(gòu)，而基底的材料從磷青銅變?yōu)镾US304。其他條件都 與示例2中相同。該壓電致動(dòng)器給出往復(fù)振動(dòng)模式，諧振頻率為572HZ，振動(dòng)速度的最大幅 值是 189mm/s。從示例2與示例3之間的比較確認(rèn)，通過改變基底的材料，可以調(diào)整諧振頻率，而 不會(huì)引起致動(dòng)器形狀、振動(dòng)模式以及振動(dòng)速度最大幅值的大的變化。[示例 4]在示例4中，用兩個(gè)振動(dòng)方向不同的壓電元件制作雙壓電晶片類型的壓電致動(dòng) 器。如圖15所示，壓電元件IOlc具有壓電體103c、103c'，它們形狀相同，并以使它們沿 不同方向振動(dòng)的方式粘接在一起。壓電體103c、103c'的形狀是IOmm的正方形，且厚度為 0.2mm。于是，壓電元件IOlc在形狀上與示例2相同。此外，除壓電元件之外的結(jié)構(gòu)也與示 例2相同。這種壓電致動(dòng)器給出往復(fù)振動(dòng)模式，諧振頻率為487HZ，振動(dòng)速度的最大幅值是 352mm/s。從示例2與示例4之間的比較確認(rèn)，通過使用雙壓電晶片類型壓電元件(具有兩 個(gè)粘接在一起并沿不同方向振動(dòng)的壓電板)，可以大大地增大最大振動(dòng)位移。[示例5]在示例5中，將示例2的單個(gè)類型壓電元件改變?yōu)閷盈B類型。本示例的層疊類型 壓電元件IOld為三層類型。如圖16所示，由堆疊的上絕緣層133d、四個(gè)電極層131d、三個(gè) 壓電體103d以及下絕緣層133d'組成。上絕緣層133d和下絕緣層133d'的形狀是IOmm 的正方形，且厚度為80 μ m。壓電體103d的形狀是IOmm的正方形，且厚度為80 μ m。電極 層131d的形狀是IOmm的正方形且厚度為3 μ m。因此，壓電元件IOld的形狀是IOmm的正 方形，且厚度約為0. 4mm。另外，該壓電致動(dòng)器是直徑為16mm且厚度為0. 45mm的圓形，這與 示例2相同。將鋯鈦酸鉛基陶瓷用作上絕緣層133d、下絕緣層133d'以及壓電體103d，而將銀 /鈀合金(重量比為70% 30%)用作電極層131d。通過所述基板法制作壓電元件104d， 并且在1100°C條件下在空氣中燒結(jié)兩個(gè)小時(shí)。然后，與圖12同樣地，形成連接到電極層的 銀電極，然后極化壓電體103d。隨后用銅箔將上絕緣層133d的表面上形成的各電極焊盤 (未示出)連接在一起。該壓電致動(dòng)器提供往復(fù)振動(dòng)模式，諧振頻率為495HZ，振動(dòng)速度的最大幅值是 518mm/s。從示例2與示例5之間的比較確認(rèn)，通過使用層疊結(jié)構(gòu)的壓電元件，可大大地增大 振動(dòng)速度的最大幅值，而不會(huì)引起諧振頻率的變化。[示例 6]在本示例中，將絕緣層13 設(shè)置在示例4雙壓電晶片壓電元件的兩個(gè)壓電板之 間，有如圖17所示者。將厚度為0. Imm的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜用作絕緣層13k。 除添加絕緣層13 之外，示例6的結(jié)構(gòu)與示例4相同。由于絕緣層13 厚度的緣故，本示 例壓電致動(dòng)器的厚度是0. 55mm，這表示與示例2相比增加了 0. 1mm。本壓電致動(dòng)器給出往復(fù)振動(dòng)模式，諧振頻率為442HZ，振動(dòng)速度的最大幅值是186mm/s。另外，在相同條件下制成的50個(gè)樣品中沒有一個(gè)表現(xiàn)出電泄漏，由此，確認(rèn)是安 全處理。從示例4與示例6之間的比較確認(rèn)，通過在壓電元件中插入絕緣層，提供一種即使 在使用金屬基底時(shí)也能抑制電泄漏并能安全處理的具有大振動(dòng)位移的壓電致動(dòng)器。[示例 7]如圖18所示，在本示例中，將振動(dòng)膜134f粘接到示例2的壓電致動(dòng)器，形成音響 元件39，然后使音響元件39動(dòng)作，以便利用傳遞到振動(dòng)膜134f的振動(dòng)輻射聲音。具體地 說，將厚度為0. 05mm的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜附著到基底121f的背面。本音響元件表現(xiàn)出諧振頻率為483HZ，Q值為8. 76，并且聲壓水平為98dB。[比較例2]為了比較示例7壓電致動(dòng)器的效果，制成有如圖19所示的傳統(tǒng)壓電音響元件。這 種音響元件具有與示例7類似的振動(dòng)膜13f'，并將該振動(dòng)膜13f'附著到比較例1的壓電 致動(dòng)器(見圖1 上。所制得的音響元件表現(xiàn)出諧振頻率為796HZ，Q值為37，并且聲壓水 平為79dB。從示例7與比較例2的比較確認(rèn)，能夠給出一種頻率范圍寬、聲壓頻率特性平坦且 聲壓水平高的音響元件。[示例 8]在本示例中，有如圖20A所示，于示例7音響元件39的壓電元件IOlg與振動(dòng)膜 34g之間插入錐形螺旋彈簧38，用作振動(dòng)傳遞構(gòu)件。螺旋彈簧38的厚度為0. 2mm，最小螺旋 半徑為2mm，而最大螺旋半徑為4mm，并由不銹鋼線形成，有如圖20B所示者。利用環(huán)氧基膠 水，將螺旋彈簧38在最小螺旋半徑平面處粘接到基底121g，并在最大螺旋半徑平面處粘接 到振動(dòng)膜34g。除設(shè)置有螺旋彈簧38外，本示例的結(jié)構(gòu)與示例7相同。通過對(duì)示例2元件 的厚度加上了螺旋彈簧38的厚度，即0. 2mm，示例7的音響元件的厚度為0. 7mm。所制得的音響元件表現(xiàn)出諧振頻率為457HZ，Q值為9. 8，并且聲壓水平為108dB。從示例7與示例8的比較確認(rèn)，通過在振動(dòng)膜與壓電致動(dòng)器之間插入振動(dòng)傳遞構(gòu) 件，可以降低諧振頻率，同時(shí)可以提高聲壓水平。[示例 9]如圖21所示，將示例7的音響元件39安裝在蜂窩電話51中，然后在30cm的距離 處測(cè)量音響元件39的聲壓水平以及聲壓的頻率特性。諧振頻率是501HZ，聲壓的頻率特性 是平坦的，Q值是8. 12，并且聲壓水平是95dB。另外，作為掉落碰撞測(cè)試的結(jié)果，即使在掉 落五次之后，也沒有在壓電元件中發(fā)現(xiàn)裂紋，并且在測(cè)試之后發(fā)現(xiàn)聲壓水平為94dB。[比較例3]將比較例2的壓電音響元件安裝在蜂窩電話51中。按與示例9相同的方式在30cm 的距離處測(cè)量音響元件的聲壓水平以及聲壓的頻率特性。諧振頻率是821HZ，聲壓的頻率特 性非常不平，并且聲壓水平是75dB。作為掉落碰撞測(cè)試的結(jié)果，使蜂窩電話51掉落兩次之 后，在壓電元件中發(fā)現(xiàn)了裂紋，并且這時(shí)發(fā)現(xiàn)聲壓為60dB或更低。從示例9與比較例3的比較確認(rèn)，通過將示例9的音響元件安裝蜂窩電話中，可以 提供能在大頻率范圍內(nèi)再現(xiàn)聲壓大且聲壓頻率特性平坦的聲音。還確認(rèn)，本發(fā)明的音響元 件在掉落時(shí)能防損傷。
[比較例4]如圖22所示，把電磁音響元件61安裝在蜂窩電話中。這個(gè)比較例的音響元件具有 永磁體62、音圈63以及振動(dòng)膜64。當(dāng)從電接線端6 加給電流時(shí)，音圈63產(chǎn)生磁力。所 產(chǎn)生的磁力重復(fù)吸引及排斥振動(dòng)膜64，以產(chǎn)生聲音。振動(dòng)膜64通過周邊的耦合構(gòu)件67連 接到外殼67。比較例4的音響元件是直徑為20mm且厚度為2. 5mm的圓形。按與示例9相 同的方式在30cm的距離處測(cè)量該音響元件的聲壓水平以及聲壓的頻率特性。得到的諧振 頻率是730HZ，并且聲壓水平是73dB。從示例9與比較例4的比較確認(rèn)，與傳統(tǒng)電磁音響元件相比，通過將本發(fā)明的音響 元件安裝在蜂窩電話中，可以在更寬的頻率范圍內(nèi)再現(xiàn)具有更高聲壓的聲音。有如上面在“具體實(shí)施方式
”以及示例1-9和比較例1-4的結(jié)果中詳細(xì)描述的那 樣，本發(fā)明提供一種薄而小的壓電致動(dòng)器，它能夠給出大的振動(dòng)幅值，無需改變外部尺寸就 可調(diào)整諧振頻率，并且可靠性高，因此，可將它廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備等。
權(quán)利要求
1.一種音響裝置，包括壓電元件(Ia)，相對(duì)于平面成直角振動(dòng)； 基底元件Ola)，設(shè)置為與所述平面平行并且約束所述壓電元件； 梁構(gòu)件(22a)，固定在所述基底元件上并且與所述基底元件平行，每一個(gè)梁構(gòu)件具有比 構(gòu)成所述壓電元件的陶瓷材料更低的剛度；以及 支撐構(gòu)件(如)，連接至所述梁構(gòu)件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音響裝置，其中所述壓電元件的振動(dòng)被每一個(gè)梁構(gòu)件和所述 支撐構(gòu)件之間的柔韌性放大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音響裝置，其中所述梁構(gòu)件是直梁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音響裝置，其中所述壓電元件包括多個(gè)壓電體以及用于向所 述壓電體施加電場(chǎng)的多個(gè)電極層，所述每個(gè)壓電體與每個(gè)電極層交替堆疊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音響裝置，其中所述壓電元件是矩形平行六面體形狀。
全文摘要
本申請(qǐng)公開了一種音響裝置，包括壓電元件(1a)，相對(duì)于平面成直角振動(dòng)；基底元件(21a)，設(shè)置為與所述平面平行并且約束所述壓電元件；梁構(gòu)件(22a)，固定在所述基底元件上并且與所述基底元件平行，每一個(gè)梁構(gòu)件具有比構(gòu)成所述壓電元件的陶瓷材料更低的剛度；以及支撐構(gòu)件(4a)，連接至所述梁構(gòu)件。該音響裝置無需增大外部尺寸而能提供大的振動(dòng)幅值，可調(diào)整諧振頻率，并且可靠性高。
文檔編號(hào)H04R17/00GK102098600SQ201110068759
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2004年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月26日
發(fā)明者佐佐木康弘, 土岐望, 大西康晴 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社