具有改进阻抗匹配的换能器 |
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| 申请号 | CN201380032985.X | 申请日 | 2013-04-23 | 公开(公告)号 | CN104602827B | 公开(公告)日 | 2017-10-03 |
| 申请人 | 高波动技术英国有限责任公司; | 发明人 | J.伊斯特; N.J.哈里斯; | ||||
| 摘要 | 一种换能器(140)，在操作 频率 范围内具有机械阻抗，并且在操作 频率范围 内具有至负载的期望的功率耦合(145)，所述换能器包括：压电装置(141)，其在操作频率范围内具有模式的频率分布；和包覆模制(143)。所述包覆模制(143)布置成包围所述压电装置(141)的至少一部分；以及所述包覆模制(143)的参数选择成提供所述换能器(140)的机械阻抗和所述负载的机械阻抗之间所需的阻抗匹配。一种替代的换能器包括安装装置，用于保持所述压电装置的周边的至少一部分的离散部分，其中所述安装装置的参数选择成为所述压电装置的周边提供所需的边界条件，由此，提供了所述换能器和负载之间的期望的功率耦合。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种换能器，在操作频率范围内具有机械阻抗，并且在操作频率范围内具有至负载的期望的功率耦合，所述换能器包括： |
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| 说明书全文 | 具有改进阻抗匹配的换能器技术领域背景技术[0002] 图1示出了理想的简单支撑分布式模式致动器(压电致动器)10(其也被称为换能器)的说明图。压电谐振元件11保持于理想的简单支撑支架12中。支架12抑制元件11在任何方向上进行任何平移运动，同时允许围绕在梁端部的旋转点进行旋转运动。这构成了理想的简单支撑。换能器被示出为安装到机械地面13，并且将功率或力或速度14耦合到未示出的负载中。 [0003] 图2示出了惯性压电致动器20(也被称为换能器)的说明图。压电谐振元件21安装在耦合器22上。耦合器22本身安装到要被驱动的负载23。耦合器22将功率或力或速度24耦合到负载23中。 [0004] 图3示出了作为负载阻抗的函数的、如图1或图2所示的代表性换能器的速度和力的示意图，还示出了所得的功率。负载阻抗从零变化到最大(其是无限的)，但在这里表示为1。 [0005] 示出了代表性换能器的谐振元件的速度。其在零负载阻抗具有最大值，被称为自由速度。速度在最大或无限负载阻抗具有最小值。 [0006] 还示出了由换能器谐振元件提供给负载的力。其在零负载阻抗具有最小值，并且在最大或无限负载阻抗上升到最大值。 [0007] 示出了可用于从换能器耦合到负载的功率，其中功率是力×速度的乘积。 [0008] 理想的是，所期望的力、速度和功率需要在换能器操作的频率范围内从换能器耦合到负载阻抗，频率可以从50000Hz向下延伸至有效的0Hz，其涵盖但不限于音频范围。可以从换能器耦合到负载阻抗的功率可以被认为是换能器的品质因数，并且当考虑到功率时，与将换能器耦合到负载相关联的问题可以很容易地被理解。 [0009] 在某些换能器应用中，期望将最大速度耦合到负载，而在某些换能器应用中，期望将最大力耦合到负载。对于这两种情况中的任一个来说，可能期望的是将最大可能的功率耦合到可用于特定换能器设计的负载，从而为特定的应用尽量减小换能器的所需尺寸。 [0010] 为了将来自换能器的所需功率有效地耦合到负载，换能器的机械阻抗应在有利的频率范围内匹配于负载，这也将导致功率、力以及速度随频率相对平滑的变化。 [0011] 在图4中，示出了负载和换能器之间的阻抗匹配的示意图，还示出了从换能器耦合到负载的所得的功率。在理想的情况下，负载和换能器阻抗是匹配的，如由倾斜的实线表示，从而导致作为由在任意示出为1的功率传输级别的水平实线表示的可用功率的函数的最大功率传输。这意味着在理想的情况下，当阻抗被匹配时，可以将最大量的可用功率从换能器传输到负载。然而，如果换能器和负载阻抗不匹配，例如换能器阻抗大于或小于负载阻抗，则功率传输可以显著降低，例如达一个数量级。这意味着在这种情况下，当阻抗不匹配时，可以将小于最大量的可用功率从换能器传输到负载，这被表示在图4中，其中虚倾斜线表明在负载和换能器之间存在阻抗不匹配，导致功率传输大大减少，如由水平虚线所示。 [0012] 换能器和负载阻抗在操作的频率范围内常常是不匹配的，从而导致减少的功率传输、速度或力，并且导致功率、力或速度随频率的变化是不光滑的。 [0013] 本发明试图解决这些问题。 发明内容[0014] 在一方面，本发明提供了一种换能器，在操作频率范围内具有机械阻抗，并且在操作频率范围内具有至负载的期望的功率耦合，所述换能器包括： [0015] 压电装置，其在操作频率范围内具有模式的频率分布；和 [0016] 包覆模制，其中， [0017] 所述包覆模制布置成包围所述压电装置的至少一部分；以及 [0018] 所述包覆模制的参数选择成提供所述换能器的机械阻抗和所述负载的机械阻抗之间所需的阻抗匹配，由此， [0019] 提供了所述换能器和负载之间的期望的功率耦合。 [0020] 在另一方面，提供了一种换能器，具有操作频率范围，并且在操作频率范围内具有至负载的期望的功率耦合，所述换能器包括： [0021] 压电装置，其在操作频率范围内具有模式的频率分布； [0022] 安装装置，用于保持所述压电装置的周边的至少一部分的离散部分，并且其中，[0023] 所述安装装置的参数选择成为所述压电装置的周边提供所需的边界条件，由此，[0024] 提供了所述换能器和负载之间的期望的功率耦合。 [0025] 在另一方面，提供了一种换能器，在操作频率范围内具有机械阻抗，并且在操作频率范围内具有至负载的期望的功率耦合，所述换能器包括： [0026] 压电装置，其在操作频率范围内具有模式的频率分布；和 [0027] 阻抗匹配装置，至少部分地围绕所述压电装置； [0028] 其中， [0029] 所述阻抗匹配装置的参数选择成提供所述换能器的机械阻抗和所述负载的机械阻抗之间所需的阻抗匹配，由此， [0030] 提供了所述换能器和负载之间的期望的功率耦合。 [0031] 在另一方面，提供了一种制造换能器的方法，所述换能器在操作频率范围内具有机械阻抗，并且在操作频率范围内具有至负载的期望的功率耦合，所述方法包括： [0032] 提供压电装置，其在操作频率范围内具有模式的频率分布；以及[0033] 将阻抗匹配装置包覆模制到该压电装置上，以便至少部分地围绕所述压电装置； [0034] 其中， [0035] 所述阻抗匹配装置的参数选择成提供所述换能器的机械阻抗和所述负载的机械阻抗之间所需的阻抗匹配，由此， [0036] 提供了所述换能器和负载之间的期望的功率耦合。 [0037] 在另一方面，提供了一种换能器，包括： [0038] 面板形式的压电装置；以及 [0039] 支撑， [0040] 所述支撑包括弹性体元件和机械地面，所述弹性体元件至少在该压电装置的周边的一部分支撑该装置，以及该装置的至少一部分通过所述弹性体元件延伸到所述机械地面的凹部中。 附图说明[0042] 图1示出了理想的简单支撑压电致动器的示意图。 [0043] 图2示出了理想的惯性压电致动器的示意图。 [0044] 图3示出了作为负载阻抗函数的、如图1或图2所示的代表性换能器的速度和力的示意图，还示出了所得的功率。 [0045] 图4示出了特征表现为换能器阻抗的换能器和特征表现为负载阻抗的负载之间的功率传输的示意图，示出了负载阻抗和换能器阻抗失配的示意图。 [0046] 图5示出了作为用于理想的简单支撑压电致动器的频率函数的自由速度(无负载阻抗)和阻滞力(无限负载阻抗)。 [0047] 图6示出了作为用于惯性压电致动器的频率函数的自由速度(无负载阻抗)和阻滞力(无限负载阻抗)。 [0049] 图8示出了采用阻抗匹配装置修改的简单支撑压电致动器的示意图。 [0050] 图9示出了采用阻抗匹配装置修改的惯性压电致动器的示意图。 [0051] 图10示出了对于如图7所示的简单支撑压电致动器和各种情况下驱动5Ns/m负载阻抗的非优化修改的简单支撑压电致动器这二者的、作为频率函数的速度。 [0052] 图11示出了对于如图7所示的惯性压电致动器和各种情况下驱动5Ns/m负载阻抗的非优化修改的惯性压电致动器这二者的、作为频率函数的速度。 [0053] 图12示出了具有软硬弹性体/聚合物阻抗匹配装置的优化修改的简单支撑压电致动器的示意图。 [0054] 图13示出了具有软硬弹性体/聚合物阻抗匹配装置的优化修改的惯性压电致动器的示意图。 [0055] 图14示出了对于如图7所示的简单支撑压电致动器和各种情况下驱动5Ns/m负载阻抗的图12所示的优化修改的简单支撑压电致动器这二者的、作为频率函数的速度。 [0056] 图15示出了对于如图7所示的惯性压电致动器和各种情况下驱动5Ns/m的匹配负载阻抗的图13中所示的优化修改的惯性压电致动器这二者的、作为频率函数的速度。 [0057] 图16示出了对于图12所示的简单支撑压电致动器的端部安装的一个示例的示意图。 [0058] 图17示出了对于图12所示的简单支撑压电致动器的端部安装的另一示例的示意图。 [0059] 图18示出了对于如图7所示的简单支撑压电致动器和各种情况下驱动5Ns/m负载阻抗的图16和17所示的优化修改的简单支撑压电致动器的、作为频率函数的速度。 [0060] 图19示出了对于如图7所示的简单支撑和惯性压电致动器和各种情况下驱动5Ns/m的匹配负载阻抗的优化修改的简单支撑压电致动器的、作为频率函数的速度。 [0061] 图20示出了对于图12所示的简单支撑压电致动器的端部安装的另一示例的示意图。 具体实施方式[0062] 在下文中，总体上公开了一种可以用来将期望的功率耦合至负载的换能器。 [0063] 关于提供从换能器耦合到负载的期望功率，对简单支撑和惯性这两种换能器进行了描述。对于这样的换能器来说，还可以对期望的力和/或速度的耦合进行考虑，下面所描述的换能器的各方面也适用于这些参数。 [0064] 惯性换能器是一种未接地至框架或其它支撑并且在扩展区域比如在其安装架外侧的区域上自由振动的换能器。对于谐振元件来说，谐振元件自由弯曲，因此通过与振动期间加速和减速其自身质量相关联的惯性而产生力。惯性换能器可以是对称的或不对称的，其中对称的换能器可通过对称地支撑在中心耦合器或支撑上的压电元件来形成，不对称的换能器可以例如支撑在悬臂式装置中。 [0065] 此外，换能器的压电元件的谐振元件可以具有三种可区分的边界条件，即自由、夹紧(或固定)以及简单支撑(或钉扎)。对于简单支撑的情况来说，防止在任何轴线上的位移，但是允许旋转。因此，简单支撑被理解为声学工程中的技术术语，以限定谐振板或梁的边界条件。换能器的板被支撑成允许绕着支撑进行枢转运动，但是防止相对于支撑进行平移运动。因此，简单支撑与其它边界条件区分开，其中，所述板被夹在其边缘或者该板在其边缘是自由的。 [0066] 为了优化压电致动器或换能器的性能，值得理解的是对于这样的系统来说基准性能是什么。 [0067] 图5示出了简单支撑或支撑梁换能器的基准性能。操作的频率范围示出为从100Hz变化至10000Hz。作为频率函数的自由速度(零负载阻抗)示出在左侧竖直轴上，作为频率函数的阻滞力(block force)(无限负载阻抗)示出在右侧竖直轴上。自由速度在约500Hz和4500Hz处表现出峰值，阻滞力在约3000Hz处表现出峰值。示出了模式及分布式模式行为。 [0068] 图6示出了惯性或自由梁换能器的基准性能。操作的频率范围示出为从100Hz变化至10000Hz。同样示出了作为频率函数的自由速度和阻滞力。示出了模式及分布式模式行为。 [0069] 可以看出，惯性换能器就频率来说在低频下降。相比于简单支撑换能器，惯性换能器在低频表现出减少的自由速度和阻滞力，但是在较高频率表现出增加的自由速度和阻滞力。 [0070] 在某些情况下，理想的是所具有的换能器在简单支撑模式下在低频有效地运行，而在惯性模式下在高频有效地运行。本发明的一个方面采用此功能运行，如下面所讨论。 [0071] 图5和6示出了简单支撑及惯性换能器的基准性能，但是在操作中，换能器用来驱动有限的负载阻抗，而不是零或无穷大阻抗。 [0072] 图7示出了驱动有限阻抗的换能器，其中未修改的惯性换能器和未修改的简单支撑换能器正驱动5Ns/m的负载阻抗，并且其中换能器谐振元件的速度示出为频率的函数。这清楚地表明，简单支撑换能器在低频相对于惯性换能器具有增强的输出，而在高频则相反。 [0073] 在图7中，用于未修改的简单支撑及未修改的惯性换能器的压电元件是双晶片谐振元件，这是指压电谐振元件由2层压电材料形成并且可在相反的方向上弯曲。 [0074] 图8示出了根据本发明一方面的修改的简单支撑压电致动器或换能器80的示意图。未修改的简单支撑压电致动器60已经通过使用阻抗匹配装置81而得以修改。使用阻抗匹配装置81可以是将额外的组件应用至简单支撑压电致动器60。使用阻抗匹配装置81可以采用其他部件替换简单支撑压电致动器60的部件。 [0075] 图9示出了根据本发明一方面的修改的惯性压电致动器或换能器90的示意图。未修改的惯性压电致动器70已经通过使用阻抗匹配装置91而得以修改。使用阻抗匹配装置91可以是将额外的组件应用至惯性压电致动器70。使用阻抗匹配装置91可以采用其他部件替换惯性压电致动器70的部件。 [0076] 如上所讨论，存在的问题涉及使用换能器来驱动负载，因为换能器和负载阻抗可能在需关注的频率范围内表现出失配，导致换能器的减小的功率传输、速度或力特征。这是因为换能器在需关注的频率范围内的阻抗可以不同于并且很可能不同于负载在需关注的频率范围内的阻抗。这种情况可以有必要发生，因为要被驱动的负载在固定的范围内可以具有阻抗或一组阻抗，例如如果换能器耦合到人耳的耳廓，并且正用于在耳廓激励声振动，以将声音耦合至耳机装置中的耳朵。此外，换能器可能需要表现出导致换能器在操作的频率范围内具有某一阻抗或一定范围阻抗的某些特性。这两方面则意味着换能器和负载之间的阻抗失配，导致从换能器耦合到负载的功率传输、速度或力的减少。 [0077] 因此，根据本发明的一方面，提供了一种阻抗匹配装置。阻抗匹配并不意味着换能器的阻抗和负载的阻抗在操作频率范围内是相等的，或者在操作频率范围内的任何频率上实际相等。阻抗匹配是指修改换能器的阻抗，从而使换能器在操作频率范围内的操作得到改进，通过在操作频率范围内具有较少的阻抗失配。 [0078] 阻抗匹配装置是一种修改换能器阻抗的装置，从而改进从换能器到负载的功率、力或速度耦合。 [0079] 使用根据本发明一方面的阻抗匹配装置可以被认为是在包括未修改换能器的机械阻抗和负载的机械阻抗的机械阻抗空间内提供另一自由度，其允许换能器的设计者/工程师驱动负载来设计更优化的或最佳的换能器以加载驱动系统。 [0080] 根据本发明一方面的阻抗匹配装置包括包覆模制，例如以层的形式，设置成包围换能器的压电元件的至少一部分。 [0081] 根据本发明一方面的阻抗匹配装置包括覆盖至少一部分压电装置的软弹性体。该软弹性体的特征可以表现为达60的肖氏A硬度。 [0082] 根据本发明一方面的阻抗匹配装置包括覆盖至少一部分压电装置的硬弹性体。该硬弹性体的特征可以表现为达90的肖氏A硬度。 [0083] 根据本发明一方面的阻抗匹配装置包括覆盖至少一部分压电装置的硬聚合物。该硬聚合物的特征可以表现为达100的肖氏A硬度，但是通常肖氏A硬度适用最多达90，因此硬聚合物的特征可以表现为达150的等效肖氏D硬度，但通常可以达100。 [0084] 申请人已经对已经确定的在阻抗匹配包覆模制的应用中需要谨慎而进行了研究，因为换能器的操作可能受到不利的影响。 [0085] 这示于图10和图11，在图10中，示出了驱动5Ns/m的负载阻抗时作为频率函数的、未修改的简单支撑压电致动器及错误修改的简单支撑压电致动器的谐振元件的速度，在图11中，示出了驱动5Ns/m的负载阻抗时作为频率函数的、未修改的惯性压电致动器及错误修改的惯性压电致动器的谐振元件的速度。 [0086] 图10和11所示的未修改的简单支撑压电致动器和未修改的惯性压电致动器具有如图7所示的未修改的换能器的速度特性。错误的修改是指包覆模制层已被错误地应用，并且在对于简单支撑压电致动器和惯性压电致动器所示的情况下表示如果致动器被简单地制成更坚固例如更能承受振动或下落则可被应用的包覆模制层，而不为了阻抗匹配的目的而优化包覆模制。 [0087] 在图10中，示出了简单支撑压电致动器的操作，其中包含非优化软弹性体层的包覆模制层已经被围绕着压电装置的谐振元件施加，并且包括非优化硬弹性体的包覆模制层已经被施加到谐振压电以形成简单支撑。非优化的情况被称为朴素应用(application)，如图所示，压电致动器的性能受到了严重影响。 [0088] 在图11中，示出了惯性压电致动器的操作，其中包含非优化软弹性体层的包覆模制层已经被围绕着压电装置的谐振元件施加，并且包括非优化硬弹性体的包覆模制层已经被施加到谐振压电以形成压电元件和负载之间的耦合器。非优化的情况同样被称为朴素应用，如图所示，压电致动器的性能受到了严重影响。 [0089] 根据本发明的一方面，申请人的研究已经确定，布置成围绕至少一部分压电装置的包覆模制层的参数需要被选择成提供换能器和负载之间所需的阻抗匹配，以提供从换能器到负载或在其之间耦合的期望的功率、速度和/或力。 [0090] 所要选择的包覆模制的参数包括：材料，其可以是软的或硬的弹性体、橡胶材料、聚合物材料或任何其它合适的材料；形成包覆模制层的材料的硬度、刚度、杨氏或剪切模量或其它材料特性；包覆模制的厚度，特别是如果包覆模制是以层的形式，该层的厚度可能在围绕压电层的不同位置而变化；以及包覆模制的形式。包覆模制层的形式是指：围绕压电装置或其一部分的软弹性体；围绕压电装置或其一部分的硬弹性体，其可以在压电装置和负载之间提供简单支撑装置或惯性支撑装置或耦合装置；围绕压电装置或其一部分的软或硬聚合物，其可以在压电装置和负载之间提供简单支撑装置或惯性支撑装置或耦合装置。前述并非可被选择以便实现期望的阻抗匹配的参数的详尽清单。 [0091] 在上述及下文中，阻抗匹配装置被称作“包覆模制”，因为对于其来说通过模制例如注塑模制来形成是特别方便的。然而，选择合适的设计参数的一般原理不限于模制的阻抗匹配装置，本公开内容不应被解释为限于模制的阻抗匹配装置。 [0092] 为了通过使用包覆模制例如包覆模制层来提供从换能器耦合至负载的期望的功率、力和/或速度来提供阻抗匹配可能导致优化的设计，其包括对换能器的不同的压电谐振器、不同的安装配置或者其它不同的物理方面，而没有包覆模制阻抗匹配装置。除了提供阻抗匹配之外，包覆模制阻抗匹配装置可以提供支撑或弹性给压电元件或谐振器，这意味着如果包覆模制被去除并且压电谐振器设计没有改变的话，则采用包覆模制的优化的换能器设计可能无法操作。使用包覆模制可以允许使用优化设计的压电谐振器，其是脆弱的，否则的话，如果除去包覆模制则不能够操作或者易于失败。 [0093] 在图12中，以横截面的形式示出了根据本发明一方面的优化的简单支撑压电致动器140的示例，具有包覆模制阻抗匹配装置。以梁形式的大致为矩形的压电谐振元件141在其每个主要表面上设置有软弹性体143层形式的阻抗匹配装置。在一示例中，弹性体可以具有A30的肖氏硬度。软弹性体143的合适厚度为0.5mm。压电谐振元件141设置有弹性体支撑142形式的额外的阻抗匹配装置。每个支撑可包括例如肖氏硬度A70的硬弹性体。设置两个支撑，定位在压电双晶片或压电谐振元件141的任一端，形成用于压电致动器的简单支撑或支脚。应该注意的是，在图示的例子中，软弹性体143层在压电双晶片的整个表面上延伸达支撑142。通过硬弹性体支撑或支脚142(其可能具有的厚度为1mm)，将简单支撑压电致动器 140安装到机械地面13。压电谐振元件141的端部或周边终止于硬弹性体支脚142内。支脚 142可以配置成握住压电谐振元件141的周边的一部分。支脚可以沿着压电谐振元件141的整个宽度延伸。功率144通过软弹性体层耦合到负载，未示出但其可以例如是耳廓或扬声器的面板。软弹性体143层和硬弹性体支脚142一起形成包覆模制阻抗匹配装置。 [0094] 在图13中，示出了根据本发明一方面的优化的惯性压电致动器150的示例，具有替代的包覆模制阻抗匹配装置。以梁形式的大致平面的压电双晶片151由软弹性体153层形式的包覆模制阻抗匹配装置围绕。弹性体的合适的肖氏硬度为A20。软弹性体153的合适厚度为0.5mm。压电双晶片151还设置有定位在压电双晶片或谐振元件151中心的阻抗匹配装置，形成用于压电致动器的从换能器到负载23的耦合器152。耦合器152可以是硬聚合物耦合器152的形式，其合适的肖氏硬度是A或D100。耦合器152可以成形为围绕压电双晶片151的中心部分。惯性压电致动器150通过耦合器152被安装到要被驱动的负载23。软弹性体层153形成到在压电双晶片151和负载23之间延伸的支脚155中。在图示的例子中，设置两个支脚，分别在双压电晶片的每一端，例如位于从压电双晶片151的端部的路径的1/3处。支脚155用作“捕手”，用于支撑具有软弹性体层153的压电谐振器。支脚155被设计成具有显示出灵活性的几何形状，由于该设计，允许压电双晶片151振动，而不受限制或不必要地限制。这允许优化的设计操作，如以上所讨论。本领域技术人员根据对系统角动量的分析要理解的是，从压电元件端部的1/3位置处是对于支脚155的最佳位置。功率154通过硬聚合物耦合器152被耦合到负载23，其可以例如是扬声器的面板。 [0095] 在图12和13的示例中，压电元件大致为矩形，但它们并不局限于这种形状。 [0096] 在图14中，沿如图7所示的未修改的压电致动器的速度特性，示出具有包覆模制层的图12的优化的简单支撑压电致动器的作为频率函数的速度。优化的压电致动器的性能显著地好于如图10所示的非优化的压电致动器，并且趋向于未修改的压电致动器。示出了速度特性，并且趋向于未修改的，并且在某些频率就未修改的来说已经有所改善，但如上面所讨论，阻抗匹配装置的参数被选择成提供换能器和负载之间所需的阻抗匹配，且因此将功率从换能器耦合到负载现在将趋向于所期望或所需要的那样。 [0097] 在图15中，沿着如图7所示的未修改的压电致动器的速度特性，示出了具有包覆模制层的图13的优化的惯性压电致动器的作为频率函数的速度。优化的压电致动器的性能显著地好于如图11所示的非优化的压电致动器，并且趋向于未修改的压电致动器，并且在某些频率就未修改的来说确实提高了。示出了速度特性，并且趋向于未修改的压电致动器，并且确实在某些频率就未修改的来说已经有所改善，但是如上面所讨论，阻抗匹配装置的参数被选择成提供换能器和负载之间所需的阻抗匹配，且因此将功率从换能器耦合到负载将趋向于所期望或所需要的那样。 [0098] 在图16中，示出了根据本发明一方面的用于简单支撑压电致动器180的端部安装的例子的示意图，其示出了如图12所示的压电致动器的简单支撑的一端。简单支撑装置包括硬弹性体支脚142，其内安装了压电谐振元件141的端部或周边。支脚142的合适的肖氏硬度是70。示出了压电谐振元件141的平移刚度k和旋转刚度kr。在简单支撑压电致动器中，如上所述以及如图1所示，对于被限制平移的压电谐振元件141即如图16所示的压电谐振元件141的端部来说的理想情况应该被限制在如图所示的支脚的范围的方向上移动。然而，压电梁应该可绕着位于梁或压电谐振元件141的端部或周边的点自由旋转。 [0099] 这意味着，平移刚度K应该很高，旋转刚度kr应该很低。随着k的值从非常高的水平降低，压电谐振元件141的端部能够平移，这意味着安装趋于远离理想的简单支撑。随着kr的值从低水平增加，从压电致动器的力输出由支脚142而有效地变短路，力输出通过支脚而被耦合。这意味着，对于图16所示和图12所示的简单支撑的例子，力通过支脚142而被耦合到机械地面13。对于真实材料来说，k不是无限大，kr不是零，这意味着如图16所示的优化的简单支撑端部终止的示例不是理想的简单支撑安装。这意味着，压电谐振元件141的端部能够平移，并且不能像理想的简单支撑结构那样自由旋转，其结果是，压电谐振元件141所绕之旋转的位置从元件的端部向内移动，其中该旋转位置在图16中示出为位置183。另外，“支脚”的有限长度，即硬弹性体支脚142内的压电谐振元件141的端部或周边的有限长度，将旋转点从梁的端部有效地转移至支脚的中点。这是可以被改变以改善阻抗匹配的参数。 [0100] 通常，采用简单的材料，k和kr是密不可分的，因此不可能实现理想的简单支撑安装构造。对于其中提供简单支撑支架12以得到理想的简单支撑的理想的简单支撑情况的图1所示的端部安装构造或者提供如图12和16所示的优化的简单支撑情况的一个示例的端部安装装置可以被认为为压电装置的周边或端部形成边界条件。然后，可以选择安装装置的参数，为压电装置的周边或端部提供所需的边界条件，由此提供了换能器和负载之间的期望的功率、力或速度耦合。 [0101] 所要选择的安装装置的参数包括：材料，其可以是软的或硬的弹性体、橡胶材料、聚合物材料或任何其它合适的材料；形成安装装置的材料的硬度、刚度、杨氏或剪切模量或其它材料特性；安装装置的厚度和几何形状，以及用于人工约束形成安装装置以有效改变其材料特性的材料的任何装置。前述并非可被选择以便实现期望的阻抗匹配的参数的详尽清单。 [0102] 然而，可以结合工程和材料科学来改善具有非无限大平移刚度和非零旋转刚度的真实材料的负面副作用。例如，橡胶的特征在于低剪切刚度，但是具有高的体积模量(它们几乎不可压缩)——典型值列于下表。在每种情况下，泊松比几乎等于1/2，所以杨氏模量接近剪切模量的3倍，体积模量通常超过剪切模量的1000倍。 [0103] [0104] [0105] 因此，图17示出了本发明的另一方面，示出了简单支撑压电致动器的端部终止的示例，形成简单支撑边界条件。在图17中，压电谐振元件141安装成以便部分地延伸到硬弹性体支脚192中。硬弹性体支脚192设置有限制或收缩装置191。限制装置191形成围绕支脚192外周边的机械约束，并且抑制支脚192改变其体积。该限制装置由基本上围绕支脚192的所有自由表面的非柔顺层、或贴花形成。非柔顺的限制装置191由硬聚合物或其他合适的材料形成。优选地，限制装置或套管的弹性比支脚192或其它支架更低。 [0106] 通过“盒装”或限制在两侧和/或顶部上的硬弹性体支脚192(其可以由橡胶制成)，抑制材料改变其体积；图中所示的高K值产生k的高值。压电谐振元件141端部的非体积变化的摆动运动激活低剪切模量值，从而产生旋转刚度kr的低值。这意味着，通过盒装硬弹性体支脚192，支脚的肖氏硬度可以比对于无限制的支脚的硬度减少。在图17中，硬弹性体支脚现在具有的肖氏A硬度为40，而不是对于无限制的支脚的70的肖氏A硬度。这已经移动了压电谐振元件141的端部所围绕其从位置183旋转至位置193的位置，这意味着，该旋转位置已经移向压电元件的端部。简单支撑边界条件已经变得更像理想的简单支撑装置。 [0107] 图18示出了限制如图17所示的硬弹性体支脚的结果，其中示出了对于具有优化修改的无限制硬弹性体支脚的简单支撑压电致动器、对于具有优化限制的弹性体支脚的简单支撑压电致动器、以及未修改的简单支撑压电致动器的作为频率函数的速度。通过改变从肖氏硬度A70至40的硬弹性体支脚的材料以及盒装两侧，在本示例中获得了响应水平的介于0.1和0.9dB的改进，其中改进可以大于或小于该值。盒装或者限制支架或支脚可以仅围绕两侧，但最好还覆盖顶部，如图所示。 [0108] 根据本发明的另一方面，安装装置的参数选择成提供所需的边界条件，其允许简单支撑换能器的操作在低频率在简单支撑模式下并且有效地在高频率在惯性模式下操作。这示于图19，其示出了对于具有优化修改的限制硬弹性体支脚的简单支撑压电致动器、对于未修改的简单支撑压电致动器和对于未修改的惯性压电致动器的作为频率函数的速度。 如速度分布所示，具有优化修改的限制支脚的简单支撑压电致动器在低频率在简单支撑模式下操作，如在本示例中示出在2-3000Hz以上的频率下，其开始在惯性模式下操作。这示出了具有限制支脚的压电致动器，表现出的模态行为类似于在高频率的惯性压电致动器；具有优化限制支脚的简单支撑压电致动器和未修改的惯性压电致动器具有在 的模式。 [0109] 这意味着，根据本发明的另一方面，通过刻意选择刚度k，人们可以调整附加谐振来提高特定频率区域周围的性能。这种调整的关注的副作用是，在该新谐振之上的频率下，梁的端部变得有效自由，所以操作应该变得更像在较高频率下的惯性压电致动器。 [0110] 如图16所示的硬弹性体支脚142可以具有的肖氏A硬度为70，但是这可能高达90。在橡胶的一示例中，如上表所示，硬弹性体的剪切模量可以是2.05MPa。 [0111] 如上所讨论，将压电元件安装在硬弹性体支脚中导致简单支撑元件的有效的旋转轴线从该元件的端部或周边向内运动。为了解决通过向内移动旋转点而有效地缩短梁的副作用，压电双晶片可以结合从谐振元件延伸出的金属中心叶片，并且硬弹性体支脚可以围绕该叶片而被模制。然而，必须注意确保该压电元件的端部的旋转不受限。这意味着，安装装置的属性/参数可以选择成提供所需的边界条件，提供从换能器至负载的所需或期望的功率耦合。在一些示例中，中心叶片可以由除金属以外的材料形成。 [0112] 这示于图20，其示出了具有扩展叶片的简单支撑压电致动器的端部终止，其中硬弹性体围绕该中心叶片且软弹性体包覆模制在压电元件上。在图20中，示出了简单支撑压电致动器的一端的端部终止210。压电双晶片211具有中心叶片214，其从结合或连接到叶片任一侧的压电材料延伸出。叶片214延伸一直通过硬弹性体支脚212(其适当的肖氏A硬度可高达90)。硬弹性体支脚被安装到支撑支架215，其可以被安装到机械地面。支撑支架215具有连接到叶片214延伸到其中的硬弹性体支脚的部分内的自由空间216或凹部。空间216将修改硬弹性体支脚的特性，并且形成在为如上面所讨论的安装装置选择所需的参数时需要被考虑的参数之一。压电元件还示出具有软弹性体包覆模制层213。 [0113] 在换能器的其它示例中，操作的频率范围可以延伸到100Hz以下，趋于0Hz，并且可以延伸到10,000Hz至20,000Hz、30,000Hz、50,000Hz及以上。 [0114] 在其它示例中，压电谐振元件可以是单晶片，或具有中心叶片的双晶片。 [0115] 在其它示例中，换能器可被耦合到形成扬声器一部分的面板。 [0116] 在所描述的示例中以及在其它示例中，声振动包括的振动比如活塞状模式振动、弯曲波振动、谐振弯曲波振动、以及本领域中已知的其他声音或声振动。 [0117] 在其它示例中，阻抗匹配装置可导致性能在操作频率范围内的某些频率降低。 [0118] 尽管阻抗匹配装置被施加到换能器以修改换能器的阻抗，但很显然，整体考虑的换能器/负载系统已经使其阻抗得以修改，因此，本发明被认为涵盖此整个系统的阻抗的修改。 [0119] 在其它示例中，包覆模制层基本上覆盖了所有的压电装置。 [0120] 在其它示例中，包覆模制层覆盖了所有的压电装置。 [0121] 在其它示例中，包覆模制层基本上覆盖了压电装置谐振元件的所有上表面和/或下表面。 [0122] 在其它示例中，包覆模制层覆盖了压电装置谐振元件的所有上表面和下表面。 [0123] 在其它示例中，除了提供换能器的机械阻抗和负载的机械阻抗之间所需的阻抗匹配以提供从换能器到负载的所需或期望的功率耦合或力耦合或速度耦合之外，包覆模制层具有附加的优点。 [0124] 在如图12所示的优化的简单支撑压电致动器的其它示例中，软弹性体143层单独形成包覆模制层，以提供阻抗匹配装置。 [0125] 在如图12所示的优化的简单支撑压电致动器的其它示例中，硬弹性体支脚142单独形成包覆模制层，以提供阻抗匹配装置。 [0126] 在如图12所示的优化的简单支撑压电致动器的其它示例中，硬弹性体支脚142具有不同的肖氏A硬度。 [0127] 在如图12所示的优化的简单支撑压电致动器的其它示例中，在相对机械地面的压电谐振元件141的侧面上，短截线或耦合器可以安装到压电谐振元件141。此短截线或耦合器可用于耦合到要被驱动的负载，比如扬声器的面板。或者短截线或耦合器可用于耦合到定位成基本上平行于堆叠的压电换能器中的压电谐振元件141的第二压电元件。这样，可以有构成压电致动器换能器的一个以上的附加的谐振器元件，包覆模制层布置成包围该压电装置的全部或部分。短截线或耦合器未在图12中示出，因为图12中所示的示例性换能器通过软弹性体143层被耦合到负载。 [0128] 在如图12所示的优化的简单支撑压电致动器的其它示例中，硬弹性体支脚142可以耦合到要被驱动的负载，而不是机械地面。 [0129] 在如图12所示的优化的简单支撑压电致动器的其它示例中，速度或力可被耦合到负载，或者速度和力可被耦合到负载，或者功率、速度和力可被耦合到负载。 [0130] 在如图12所示的优化的简单支撑压电致动器的其它示例中，软弹性体143的厚度小于或大于0.5mm，在其它示例中，软弹性体143具有的肖氏A硬度小于或大于30。 [0131] 在如图12所示的优化的简单支撑压电致动器的其它示例中，软弹性体143的厚度在整个压电谐振元件141上是变化的。该厚度可以在压电谐振元件141的中心处比在端部更小，或者该厚度可以在中心处比在端部更大。 [0132] 在如图12所示的优化的简单支撑压电致动器的其它示例中，软弹性体143仅施加到压电谐振元件141的一侧。 [0133] 在如图12所示的优化的简单支撑压电致动器的其它示例中，硬弹性体支脚142具有的肖氏A硬度小于或大于70，并且可以具有小于或大于1mm的厚度。 [0134] 在如图12所示的优化的简单支撑压电致动器的其它示例中，压电谐振元件141延伸通过硬弹性体支脚142的路径的四分之一，或者可以延伸通过硬弹性体支脚142的路径的一半或四分之三。其它的终止位置也是可能的。 [0135] 在如图12所示的优化的简单支撑压电致动器的其它示例中，压电谐振元件141延伸通过硬弹性体支脚142的全部路径，压电元件的端部可以与硬弹性体支脚142的外部范围重合。压电谐振元件141可以延伸一直通过硬弹性体支脚，并且从硬弹性体支脚142的另一侧延伸出1mm、2mm或4mm。其它延伸距离也是可能的。 [0136] 在如图13所示的优化的惯性压电致动器的其它示例中，软弹性体153层单独形成包覆模制层，以提供阻抗匹配装置。 [0137] 在如图13所示的优化的惯性压电致动器的其它示例中，软弹性体支脚155单独形成包覆模制层，以提供阻抗匹配装置。 [0138] 在如图13所示的优化的惯性压电致动器的其它示例中，硬聚合物耦合器152单独形成包覆模制层，以提供阻抗匹配装置。 [0139] 在如图13所示的优化的惯性压电致动器的其它示例中，耦合器152可用于耦合到定位成基本上平行于堆叠的压电换能器中的压电双晶片151的第二压电元件。这样，可以有构成压电致动器换能器的一个以上的附加的谐振器元件，包覆模制层布置成包围该压电装置的全部或部分。 [0140] 在如图13所示的优化的惯性压电致动器的其它示例中，耦合器152可以具有的肖氏A或D硬度大于或小于100。肖氏A或D硬度可高达150。 [0141] 在如图13所示的优化的惯性压电致动器的其它示例中，速度或力可被耦合到负载，或者速度和力可被耦合到负载，或者功率、速度和力可被耦合到负载。 [0142] 在如图13所示的优化的惯性压电致动器的其它示例中，软弹性体153的厚度可以小于或大于0.5mm，在其它示例中，软弹性体153具有的肖氏A硬度小于或大于20。 [0143] 在如图13所示的优化的惯性压电致动器的其它示例中，软弹性体153的厚度在整个压电双晶片151上是变化的。该厚度可以在压电双晶片151的中心处比在端部更小，或者该厚度可以在中心处比在端部更大。 [0144] 在如图13所示的优化的简单支撑压电致动器的其它示例中，软弹性体153仅施加到压电双晶片151的一侧。 [0145] 在如图13所示的优化的简单支撑压电致动器的其它示例中，软弹性体支脚155可以处在从压电双晶片151的端部的路径的1/3之外的位置，比如在中间点或任何其它合适的位置。 [0146] 在如图13所示的优化的简单支撑压电致动器的其它示例中，本领域技术人员要理解的是，软弹性体支脚155可以不同于图13所示的几何形状，前提是如果他们继续充当“卡爪”的话。 [0147] 在如图13所示的优化的简单支撑压电致动器的其它示例中，沿着压电双晶片151的任一侧，可以有一个以上的软弹性体支脚155。 [0148] 在如图13所示的优化的简单支撑压电致动器的其它示例中，压电双晶片151可以仅具有从耦合器152横向延伸的一个部分。这意味着，例如可以省略耦合器152的右手侧上的压电梁，换能器则不是对称的。 [0149] 这意味着，如图13所示的优化的简单支撑压电致动器的其它示例可以是对称的或不对称的(悬臂式布置)。在悬臂式布置的一个示例中，图13所示的对称示例可以基本上被切成两半，压电元件仅延伸到支撑的一侧。在这种非对称的情况下，频率响应可能看起来相同或相似于图13所示的对称示例，除了可能只有一半如对于对称布置所预期的那样产生的阻滞力。 [0150] 在如图13所示的优化的简单支撑压电致动器的其它示例中，可以省略软弹性体支脚155。 [0151] 在上图所示的优化的简单支撑配置的其它示例中，很明显，趋于为简单支撑提供所需或期望的边界条件的优化的简单支撑配置的这种简单支撑配置可以应用于安装或耦合换能器的其他情况。例如，简单支撑可用于安装触摸屏面板和/或扬声器面板。如上所述的这种简单支撑可用于围绕触摸屏或扬声器面板的边缘或周边安装。 |
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