振荡装置和电子设备 |
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| 申请号 | CN201180032594.9 | 申请日 | 2011-06-28 | 公开(公告)号 | CN102972046B | 公开(公告)日 | 2016-08-03 |
| 申请人 | 日本电气株式会社; | 发明人 | 大西康晴; 黑田淳; 村田行雄; 菰田元喜; 川岛信弘; 岸波雄一郎; 佐藤重夫; | ||||
| 摘要 | 一种振荡装置包括：压电振子(110)，其中在压电层(111)的顶部和底部表面上形成 电极 层(112，113)；振动构件(120)，至少具有与所述压电振子(110)结合的顶部表面；以及 树脂 构件(130)，至少在所述压电振子(110)的外侧表面上沿圆周方向连续地形成。因此，因为可以增加所述压电振子的工作面积，因此可以同时实现输出声压级别的增大和设备的小型化。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种振荡装置，包括： |
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| 说明书全文 | 振荡装置和电子设备技术领域[0001] 本发明涉及一种具有压电振子的振荡装置，具体地涉及一种将压电振子设置在振动构件中的振荡装置和一种具有这种振荡装置的电子设备。 背景技术[0002] 近年来，对于诸如移动电话或笔记本计算机之类的便携电子设备的需求正逐渐增加。在这些电子设备中，具有商业价值的视频电话或视频再现的声音功能的薄移动终端、免提电话等正在研发。在这些研发中，对于作为音频部件的电声换能器(扬声器设备)的高质量声音和尺寸和厚度缩减存在不断增长的需求。 [0003] 在相关领域中，已经使用电动电声换能器作为诸如移动电话之类的电子设备中的电声换能器。所述电动电声换能器配置为包括永磁体、音圈和振动膜。 [0005] 此外，除了扬声器设备之外，诸如声波传感器(参考专利文献3)之类的各种振荡装置或电子设备已知是使用压电振子(专利文献4至6)的振荡装置的其他示例，所述声波传感器使用从压电振子振动振荡出的声波来检测到对象的距离。 [0006] 相关文献 [0007] 专利文献 [0008] [专利文献1]WO 2007/026736 [0009] [专利文献2]WO 2007/083497 [0010] [专利文献3]JP-A-03-270282 [0011] [专利文献4]JP-A-63-13498 [0012] [专利文献5]JP-A-2004-312561 [0013] [专利文献6]JP-A-2007-111847 发明内容[0014] 本发明要解决的问题 [0015] 使用压电振子的振荡装置使用压电层的压电效应，通过电信号输入的电致效应产生振动幅度。此外，所述电动电声换能器通过活塞型往复运动产生振动，而使用压电振子的振荡装置采用弯曲性振动模式。因此，使用压电振子的振荡装置中的幅度较小。为此原因，使用压电振子的振荡装置相对于上述电动电声换能器在厚度缩减方面具有优势。 [0016] 然而，通过振子排出空气体积量来确定声压级别，所述声压级别是所述振荡装置的物理指标之一。换句话说，所述振荡装置的声压级别依赖于所述压电振子的工作面积。 [0017] 然而在相关领域的振荡装置中，不能在所述压电层的顶部表面的整个区域和底部表面的整个区域上形成电极层，以便防止在所述压电层的顶部和底部表面上形成的电极层通过迁移等彼此电连接。因此，在所述压电层的顶部和底部表面的外围没有形成电极层。 [0018] 为此原因，在使用压电振子的振荡装置的情况下，幅度和排出体积量与电动电声换能器中相比可能较小，并且当使所述振荡装置较小时难以获得足够的输出声压级别。 [0019] 考虑到上述问题实现了本发明，并且本发明的目的是提供一种振荡装置，能够实现输出的声压级别的增加以及使用这种振荡装置的设备和电子设备的微型化。 [0020] 解决问题的手段 [0021] 本发明的振荡装置，包括：压电振子，其中在压电层的顶部和底部表面上形成电极层；振动构件，至少具有与所述压电振子结合的顶部表面；以及树脂构件，至少在所述压电振子的外侧表面上沿圆周方向连续地形成。 [0022] 本发明的第一电子设备包括：根据本发明的振荡装置；以及振荡驱动单元，所述振荡驱动单元使得所述振荡装置输出可听声波。 [0023] 本发明的第二电子设备包括：本发明的振荡装置；超声检测单元，所述超声检测单元检测从所述振荡装置振荡出的、并且被要测量的对象反射的超声波；以及距离测量单元，所述距离测量单元基于所检测的超声波计算到要测量的对象的距离。 [0024] 发明效果 [0025] 在本发明的振荡装置中，利用所述树脂构件密封所述压电振子的外侧表面。因此，能够防止所述压电振子的顶部和底部表面上的电极层之间的短路。为此原因，能够在所述压电层的顶部表面的整个区域上和底部表面的整个区域上形成电极层。因此，因为能够增大所述压电振子的工作面积，所以能够同时实现输出的声压级别的增大以及设备的微型化。附图说明 [0026] 通过以下描述的优选实施例和以下附图，本发明的以上目的和其他目的、特征和优点将变得更加清楚明白。 [0027] 图1是示出了作为本发明第一实施例的振荡装置的电声换能器的结构的示意性纵向截面前视图。 [0028] 图2是示出了电声换能器的结构的示意性平面图。 [0029] 图3是示出了第一改进的电声换能器的结构的平面图。 [0030] 图4是示出了另一个改进的电声换能器的结构的平面图。 [0031] 图5是示出了再一个改进的电声换能器的结构的平面图。 [0032] 图6是示出了又一个改进的电声换能器的示意性纵向截面前视图。 具体实施方式[0033] 下面将参考图1和图2描述本发明的第一实施例。如附图所示，作为本实施例的振荡装置的电声换能器100包括：压电振子110，其中分别在作为压电层的压电陶瓷111的顶部和底部表面上形成电极层112和113；作为振动构件的弹性振动膜120，至少具有与所述压电振子110结合的顶部表面；以及树脂构件130，至少在所述压电振子110的外侧表面上沿圆周方向连续地形成。 [0034] 更具体地，在本实施例的电声换能器100中，将所述弹性振动膜120形成为如图2所示的圆形平面形状，并且外围部分由如图1和2所示的环形框121支撑。 [0035] 所述压电振子110也形成为圆形平面形状，并且结合至所述圆形弹性振动膜120的中心表面。所述树脂构件130在与所述压电振子110的外侧表面相连的至少一部分中还与所述弹性振动膜120的顶部表面紧密接触。 [0038] 此外，所述树脂构件130的内部损耗大于所述压电振子110和所述弹性振动膜120的内部损耗。此外，所述树脂构件130具有防湿性质，并且其导电性小于所述压电陶瓷111以及所述电极112和113的导电性。 [0039] 作为这种树脂构件130，其杨氏模量等于或小于500GPa的材料是优选的。所述树脂构件130的导电性是电极层112和113的每一个的导电性的约1/100。 [0040] 此外在本实施例的电声换能器100中，作为振荡驱动单元的控制单元140与所述压电振子110的电极层112和113相连。从所述控制单元140施加使所述压电振子110在可听范围或者超声范围中振荡的电场。 [0041] 此外例如，所述顶部表面处的电极层112通过导线141与所述控制单元140直接相连，并且所述底部表面处的电极层113通过金属弹性振动膜120和导线142与所述控制单元140相连。 [0042] 此外，锆钛酸铅(PZT)等用作所述压电陶瓷111。然而，没有特别的限制。尽管没有特别的限制，优选地是所述压电陶瓷111的厚度等于或大于10μm且等于或小于500μm。 [0044] 此外，在使用具有超过500μm厚度的压电陶瓷111时，将电能转换为机械能时的转换效率显著降低，因此不能获得令人满意的电声换能器100的性能。 [0045] 通常，在通过电信号的输入产生电致效应的压电陶瓷111中，所述转换效率依赖于电场强度。因为电场强度由“沿着极化方向的厚度”/“输入电压”来表达，因此存在厚度的增加必然导致转换效率降低的问题。 [0046] 在本实施例的压电振子110中，电极层112和113形成于所述顶部和底部表面处，以便产生电场。电极层112和113的材料没有具体的限制，只要它们是具有导电性的材料，但是优选地使用银或银/钯。银用作具有低阻的通用电极层，在制造工艺、成本等方面存在优势。 [0047] 此外，因为银/钯是具有优秀抗氧化性的低阻材料，从可靠性的方面来存在优势。此外，电极层112和113的每一个的厚度没有具体的限制，但是优选地所述厚度等于或大于1μm并且等于或小于50μm。 [0048] 例如，如果膜厚度小于1μm时，因为所述膜厚度较小，难以均匀地形成所述电极层。因此，转换效率降低。此外，作为形成薄膜电极层112和113的技术，也存在糊状涂覆技术。 [0049] 然而，在诸如压电陶瓷111之类的多晶的情况下，因为表面态是绸缎处理表面(satin-finished surface)，因此在涂覆时浸润态不佳。因此，所述电极层不具有一定程度厚度时，存在不能形成均匀的电极层的问题。 [0050] 另一方面，在电极层112和113的膜厚度超过100μm的情况下，制造时没有什么具体的问题，但是所述电极层112和113变成所述压电陶瓷111的约束表面。这引起了并且转换效率降低的问题。 [0051] 在本实施例的电声换能器100的压电振子110中，其一侧的主表面被弹性振动膜120约束。所述弹性振动膜120将从所述压电振子110产生的振动向外传播。 [0052] 此外，与此同时，所述弹性振动膜120具有调节所述压电振子110的基频谐振频率的功能。如以下所示，机械电声换能器100的基频谐振频率f依赖于负载重量和柔量。 [0053] [公式1] [0054] [0055] 其中，“m”表示质量，以及“C”表示柔量。 [0056] 换句话说，因为所述柔量是所述电声换能器100的机械刚性，这意味着可以通过控制压电振子110的刚性来控制基频谐振频率。 [0057] 例如，能够通过选择具有较低弹性模量的材料或者减小弹性振动膜120的厚度来将所述基频谐振频率偏移到低频区域。另一方面，能够通过选择具有较高弹性模量的材料或者增加弹性振动膜120的厚度来将所述基频谐振频率偏移到高频区域。 [0058] 在相关领域中，因为通过压电振子110的形状或材料控制所述基频谐振频率，在设计限制、成本或可靠性方面存在问题。然而通过在本发明中改变作为部件的弹性振动膜120，可以容易地执行将基频谐振频率调节至所需值。因此工业价值较大。 [0059] 此外，在本实施例的电声换能器100中，所述压电振子110的外侧表面受到所述树脂构件130的约束。为此原因，可以使用所述树脂构件130的高内部损耗来减小压电振子的机械品质因子Q。 [0060] 在已知的电声换能器中，在所述压电振子的外侧表面上不存在树脂构件。因此，存在材料特性的Q较高的趋势。在本实施例的电声换能器100中，因为可以通过所述树脂构件130向所述压电振子110施加机械阻尼，来减小Q。因此，幅度-频率特性变平坦，并且扩大了所述电声换能器100的应用范围。 [0061] 此外，弹性振动膜120的材料没有具体的限制，只要所述材料是相对于陶瓷(是易碎材料)具有高弹性模量的材料，例如金属或树脂。然而，从可使用性、成本等方面的观点来看优选地是使用通用材料，例如磷青铜和不锈钢。 [0062] 此外，弹性振动膜120的厚度优选地大于或等于5μm且小于或等于1000μm。当所述厚度小于5μm时，所述机械强度较低。因此存在以下问题：损坏作为约束构件的功能，或者由于机械精度的减小导致在制造批次之间发生所述压电振子110的机械振动特性的误差。 [0063] 此外，当所述厚度超过1000μm时，加强了由于刚性增加导致的对于所述压电振子110的约束。因此存在以下问题：引起所述振动位移量的衰减。此外对于本实施例的弹性振动膜120，优选地是所述杨氏模量大于或等于1GPa且小于或等于500GPa，所述杨氏模量是示出了材料刚性的指数。如上所述，当弹性振动膜120的刚性过低或过高的情况下，可能存在损坏作为机械振子的特性或可靠性的问题。 [0064] 下文中将描述制造本实施例的电声换能器100的方法。首先对于所述压电振子110，形成具有Φ3mm的外径和200μm的厚度的压电陶瓷111，并且在所述压电陶瓷111的两个表面上分别形成电极层112和113，所述压电陶瓷，所述电极层的每一个具有8μm的厚度。 [0065] 可以使用基于锆钛酸铅的陶瓷作为所述压电陶瓷111，并且使用银/钯合金(重量比70％∶30％)作为所述电极层112和113。使用印刷电路基板方法执行所述压电陶瓷111的制造。在大气中在1100℃下烘烤2小时，然后对所述压电陶瓷111执行极化处理。将环氧树脂粘合剂用于所述压电振子110和所述弹性振动膜120之间的结合。 [0066] 此外，为了获得具有高可靠性的压电振子110，通过具有低导电性的树脂构件130保护所述压电振子110的外侧表面和所述弹性振动膜120之间的界面。在将所述压电振子110结合到所述弹性振动膜120的表面之后，形成所述树脂构件130以便密封所述压电振子 110的外侧表面。 [0067] 在本实施例的电声换能器100中，可以通过树脂构件130保护所述弹性振动膜120和应力集中的压电层之间的界面。因此，因为可以防止破碎、裂缝或机械破损，所以改进了可靠性。 [0068] 此外，通过使用具有低导电性的树脂构件130的保护，可以防止由于迁移等在所述压电陶瓷111的顶部和底部表面上的电极层112和113之间的短路。 [0069] 为此原因，可以分别在所述压电陶瓷111的顶部表面的整个区域上和底部表面的整个区域上形成电极层112和113，而不必担心所述电极层112和113之间的短路。因此，因为可以振荡整个压电陶瓷，因此能够同时实现输出的声压级别的增大以及设备的微型化。 [0070] 此外，通过使用具有大内部损耗的树脂构件130，能够减小机械品质因子Qm。也就是说，能够在所述压电振子110和其上集中应力的弹性振动膜120之间的界面施加机械阻尼。 [0071] 此外在这种结构中，振荡出超声波以便实现保密保护声音再现。这里，使用参量扬声器的原理，所述参量扬声器将经调制的超声波解调制为可听声音。所述压电振子110振荡出具有20kHz或更高频率的超声波。 [0072] 这里，基于AM(幅度调制)调制、DSB(双边带)调制、SSB(单边带)调制或FM(频率调制)调制之后的超声波发射到空气中、并且由于超声波在空气中传播时的非线性特性而出现可听声音的原理，来执行声音再现。 [0074] 然而，尽管声波的振幅在低频范围中是非线性的，但是因为振幅差非常小，因此通常作为非线性理论的现象而处理声波。与以上相反，在超声波的情况下，可以容易地观察到非线性。因此当将超声波发射到空气中时，显著地产生由于声波的非线性导致的谐波。 [0075] 总之，存在以下原理：因为声波处于密集状态和稀疏状态，其中在密集状态下分子组在空气中密集地混合，在稀疏状态下分子组在空气中稀疏地混合，并且当与压缩空气分子相比花费更多时间来恢复空气分子的情况下，在压缩之后不能够恢复的空气分子与继续传播的空气分子碰撞，以产生冲击波并且产生可听声音。 [0076] 随后将描述压电振子110的操作原理。所述压电陶瓷111由如上所述具有两个主表面的压电片形成，并且所述电极层112和113形成于所述压电陶瓷111的主表面上。 [0077] 所述压电陶瓷111中的极化方向没有具体的限制。在本实施例的电声换能器中，所述极化方向沿垂直方向(压电振子110的厚度方向)向上的方向。按照这种方式配置的压电振子110沿径向方向进行膨胀和收缩运动(径向扩展运动)，例如当向所述电极层112和113施加AC电压以给出交流电场时，所述两个主表面都同时膨胀或收缩。 [0078] 换句话说，所述压电振子110运动，使得重复第一变形模式和第二变形模式进行运动，在所述第一变形模式中所述主表面膨胀，而在所述第二变形模式中所述主表面收缩。通过重复这种运动，所述弹性振动膜120使用弹性效应、由于惯性效应和恢复效应产生垂直振动，从而产生超声波。 [0079] 如上所述，由于所述压电振子110的操作，应力集中于外围部分和弹性振动膜120之间的连接部分。然而在本实施例的电声换能器100中，将所述树脂构件130结合到所述弹性振动膜120的外表面和所述压电振子110。这种树脂构件130用于防止在应力集中的界面处的机械破损。 [0080] 在具有不同刚性的材料之间的边界处，在驱动力传输时应力集中。因此，当幅度较大时发生诸如破损之类的问题。在这种结构下，因为形成了具有弹性力的树脂构件130，因此能够减小所述应力集中。 [0081] 此外，因为所述树脂构件130的软化点比所述压电层111的极化温度更高，甚至在为了极化而加热所述压电层111的情况下也不会发生熔化树脂构件130的问题。此外，因为所述树脂构件130由环氧树脂构成，所述树脂构件130也可以用作将所述压电振子110粘合至所述弹性振动膜120的粘合剂。 [0082] 此外在本发明的配置中，所述压电振子110振荡出具有20kHz或以上频率的超声波。基于所谓的参量扬声器的原理执行声音再现，其中对经FM或AM调制的超声波进行振荡，并且通过使用空气的非线性状态(疏密状态)来解调经调制的波，从而再现可听声音。因为这使用作为超声波特性的高方向性来传播声波，因此能够实现只对于用户可见的保密声源。 [0083] 如上所述，本实施例的电声换能器100较小，并且可以再现较大音量的声音。此外，因为使用超声波，方向性较窄。因此，在用户隐私保护等方面的工业价值较大。 [0084] 也就是说，在本实施例的电声换能器100中，与相关技术中的电声换能器相比，所述声波的线性度较高。因此，能够将声波选择性地传播至所需的用户位置。总之，本实施例的电声换能器100也可以用作电子设备(例如，移动电话、笔记本个人计算机或者小游戏机)的声音源。此外，能够防止电声换能器100的尺寸增大，并且改善了声学特性。因此，所述电声换能器100也可以适用于便携电子设备。 [0085] 此外，本发明不局限于所述实施例，并且在不脱离主题的范围内允许多种改进。例如，在所述实施例中，已经说明了使用诸如锆钛酸铅(PZT)之类的压电陶瓷111作为压电振子110的压电元件。 [0086] 然而，所述压电元件的材料并非局限于无机材料和有机材料，只要它们是具有压电效应的材料即可。可以使用具有高机电转换效率的材料，例如诸如钛酸钡(BaTiO3)之类的材料。 [0087] 此外在以上实施例中，已经说明了将所述压电振子110和弹性振动膜120形成为同心圆形平面形状。然而作为如图3所示的振荡装置的电声换能器200，可以将作为振动构件的压电振子210或者弹性振动膜220形成为矩形形状，例如正方形形状。 [0088] 此外，对于形成为具有4个拐角211和4条边212的矩形平面形状的这种压电振子210，将树脂构件230优选地形成为在所述压电振子210的拐角211的位置处比在边212的位置处更厚的平面形状。 [0089] 因为振荡应力集中于具有上述平面形状的压电振子210的拐角211上，因此通过树脂构件230将所述拐角211牢固地结合至所述弹性振动膜220。 [0090] 此外在如上所述的实施例和第一改进中，已经说明了将一个压电振子110或210安装到一个弹性振动膜120或220中。然而，作为如图4的振荡装置说明的电声换能器300，可以将多个压电振子210安装到一个弹性振动膜220上以便排列成矩阵。 [0091] 此外，作为如图5中说明的振荡装置的电声换能器400，可以将三角形压电振子410在图中彼此交替地上下排列，例如在六边形振动构件420中的两行。此外，可以将六边形压电振子排列成蜂巢形状(图中未示出)。 [0092] 此外在上述实施例中，已经说明了所述压电振子110由所述压电振子两个表面上的一层压电陶瓷111以及电极层112和113构成。然而，这种压电振子可以具有层压结构，在所述层压结构中交替地形成多个压电陶瓷和多个电极层。 [0094] 此外在上述实施例中，已经说明了均匀地形成所述压电振子110的外侧表面，并且在所述外侧表面的整个区域上形成树脂构件130。然而这种树脂构件130足以防止所述电极构件112和113之间的短路。因此，例如作为图6的振荡装置而说明的电声换能器500，如果在所述压电振子110的压电陶瓷111的外侧表面上的整个圆周上沿圆周方向连续地形成所述树脂构件130，则所述树脂构件130沿垂直方向的厚度可以较小。 [0095] 此外在上述实施例中，已经假设了使用所述电声换能器100等输出声音的移动电话作为电子设备。然而，也可以将声纳(图中未示出)实现为电子设备，所述声纳包括：作为振动装置的电声换能器100等；检测从所述电声换能器100等振荡出的、并且被要测量的物体反射的超声波的超声检测单元；以及基于检测到的要测量超声波来计算到物体的距离的距离测量单元。 [0096] 此外，理所当然的是可以在内容不彼此冲突的范围内组合上述多个实施例和多个改进。此外，尽管在以上实施例中已经具体地描述了每一个单元的结构等，但是可以在满足该申请的本发明范围内按照各种方式修改所述结构等。 [0097] 该申请要求2010年6月30日递交的日本专利申请No.2010-149877的优先权，将其全部内容合并在此。 |
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