CN101069341B

CN101069341B - 压电振动器及具有该压电振动器的压电面板扬声器

Info

Publication number: CN101069341B
Application number: CN2005800414561A
Authority: CN
Inventors: 李相救; 金世德
Original assignee: Ibule Photonics Co Ltd
Current assignee: Ibule Photonics Co Ltd
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2025-11-29
Also published as: KR20060062138A; KR100625772B1; CN101069341A; JP4758998B2; JP2008522538A; WO2006059856A1

Abstract

本发明涉及一种压电振动器，其中可在整个声音范围内获得高的声压，同时具有立体声效果，以及涉及一种利用该压电振动器的简化的压电面板扬声器。该压电振动器包括弹性构件、用于将电信号转化为机械振动且由多个压电构件构成的多作用振动器、以及连接至该多作用振动器的弹性构件且用于将该机械振动传递到外部的振动传递弹性构件。每一个压电构件连接至弹性构件的一个表面且具有连接至其两个表面的电极。不同频带的电信号被独立地施加至构成所述多作用振动器的多个压电构件中的每一个。另外，该压电振动器具有单层或多层结构。在多层结构的情况下，这些层具有相同的面积和形状或者不同的面积和形状。

Description

压电振动器及具有该压电振动器的压电面板扬声器

技术领域

本发明涉及一种用于压电面板扬声器(平板扬声器)等的压电振动器。更具体地，本发明涉及这样一种具有两个或多个多作用振动器(multi acting vibrator)的压电振动器，其中使用对其独立施加了具有不同频带的不同电信号的多个压电构件并且对连接至该压电构件的弹性构件的几何结构进行特定设计，由此在整个声音范围内获得高声压，同时具有立体声效果。本发明还涉及一种使用该压电振动器的简单构造的面板扬声器。

背景技术

在传统的压电扬声器中，由激振器产生的声压较低并且形成的共振频率在3kHz的范围内，使得在高频范围内很难可以获得高水平(high level)声压。为了解决这种问题，已尝试使用多个压电振动器，但没有成功地获得高声压并且至今也没有被广泛使用。

作为为了获得高声压的其它尝试，美国专利第4,593,160号披露了一种利用双晶型矩形致动器的压电振动器。类似地，美国专利第5,632,841号披露了一种通过将铁电体晶片连接至受压弹性体来制造致动器的方法。在其它方面，设置多个振动器，或者将质体(mass body)安装在压电体的后部上以便改变其振动方式等等。然而，所有这些方法对于增加压电扬声器的声压同样不是实用和有效的解决方案。

此外，与压电扬声器无关，在20世纪70年代设计了一种用于增强弯曲变换器(bending transducer)中的振动的振幅的结构并应用于用于粉化或喷雾液体物质的装置(参考N，setter(2002).Piezoelectric Materials in Devices p.54)。

发明内容

技术问题

为了解决现有技术中存在的上述问题，而作出本发明，并且本发明的一个目的是提供一种压电振动器，其中在整个声音范围内可以获得高且均匀的声压，同时具有其立体声效果。

本发明的另一目的是提供一种压电面板扬声器，其中，可利用其中将单个压电振动器安装到单个面板上的简单结构而获得立体声效果。

技术方案

在实现我们的发明的一个优选实施方式中，提供了一种压电振动器，包括：用于将电信号转换为机械振动的多作用振动器，其包括弹性构件和多个压电构件，其中每一个压电构件被连接至该弹性构件的一个面上并且具有连接至其两个面的电极；以及连接至该多作用振动器的弹性构件且用于将机械振动传递到外部的振动传递弹性构件，其中不同频带的电信号被独立地施加至构成该多作用振动器的多个压电构件中的每一个。

根据本发明的一个方面，整个压电振动器的轴向截面可以具有用于增强从电信号转化的声压的不对称I-形状。

可替换地，该多作用振动器可以包括连接至压电构件的另一面且用于控制该压电构件的振动方式的其它振动控制弹性构件。

根据本发明的另一个方面，对应于多个压电构件，该多作用振动器可以进一步包括在弹性构件其它面上的多个另外的压电构件。

优选地，压电振动器的弹性构件由金属形成，或者可以由杨氏模量大于10GPa的有机或无机聚合物材料形成。

利用环氧树脂将多个压电构件连接至振动传递弹性构件和振动控制弹性构件。

在本发明的优选具体实施方式中，压电构件由PZT(钛酸铅-锆系列材料)的多晶陶瓷形成，或者由铁电体单晶材料形成，该铁电体单晶材料是选自由PMN-PT(铌酸铅镁-钛酸铅系列材料)、PZN-PT(铌酸铅锌-钛酸铅系列材料)、PZT(钛酸铅锆系列材料)、PYN-PT(铌酸铅镱-钛酸铅系列材料)和PIN-PT(铌酸铅铟-钛酸铅系列材料)组成的组中的一种材料，其具有满足以下化学式1和2之一的组成；其中，化学式1为s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]，这里[P]是PbO、PbO₂和Pb₃O₄，[M]是MgO或ZnO，[N]是Nb₂O₅，[T]是TiO₂，[L]是LiTaO₃、LiNbO₃、Li、Li₂O或Li₂CO₃，或选自由Pt、Au、Ag、Pd、Rh、In、Ni、Co、Fe、Sr、Sc、Ru、Cu、Y和Yb组成的组中的一种金属或其氧化物；并且这里x大于或等于0.55且小于或等于0.65，y大于或等于0.09且小于或等于0.20，z大于或等于0.09且小于或等于0.20，p大于或等于0.01且小于或等于0.1，以及s大于或等于0.01且小于或等于0.1；其中，化学式2为[1-x]Pb(Zn_1/3，Nb_2/3)-[x]PbTiO₃、[1-y]Pb(Mg_1/3，Nb_2/3)-[y]PbTiO₃、[1-z]PbZrO₃-[z]PbTiO₃、[1-l]Pb(Yb_1/2，Nb_1/2)O₃-lPbTiO₃和[1-m]Pb(In_1/2，Nb_1/2)O₃-mPbTiO₃，这里x等于零或大于0.01且小于0.2，y大于0.1且小于0.4，z大于0.4且小于0.6，l大于0.2且小于0.8，以及m大于0.2且小于0.8。

压电材料具有单层或多层结构，其中多层结构可以由具有相同面积和形状或具有彼此不同面积和形状的层构成。

而且，压电材料可以为由单晶或多晶材料制成的块状和薄膜形式中的一种形式。

最后，本发明提供了一种具有根据本发明的压电振动器的压电面板扬声器。

有益效果

如上所述，在本发明的压电振动器中，压电构件不是直接连接至振动传递弹性构件，从而可防止由于外部冲击和由长期工作引起的疲劳所致的压电构件的故障。使用了多个压电构件，其每一个通过不同电信号独立地进行操作。因此，通过采用单个压电振动器，可在高音到低音的整个声音范围内产生均匀的高声压，同时具有足够的立体声效果。

另外，本发明的压电振动器具有简化的结构，使得可以显著地简化制造工艺并且可以极大地提高所消耗的电能的能量效率。因此，可节省电能，可实现产品的小型化，以及可以减少由噪声引起的信号失真。

而且，在采用本发明的压电振动器的扬声器中，对于振动板的要求不是非常严格的，因此，其可以以能够在水或潮湿环境中使用的形式来实现。

虽然已参照特定的说明性具体实施方式描述了本发明，但是本发明不受这些具体实施方式的限制而是仅由所附权利要求所限制。应当理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以对这些具体实施方式进行变化或更改。

附图说明

通过以下结合附图的详细描述可以更加充分地理解本发明的其它目的和优点，其中：

图1是传统压电振动器的垂直截面图和仰视图；

图2是根据本发明一个具体实施方式的压电振动器的垂直截面图和仰视图；

图3是曲线图，比较了由图2所示的本发明的压电振动器产生的声压和由图1所示的传统压电振动器产生的声压；

图4是具有图2的压电振动器的压电面板扬声器的俯视图和侧视图；

图5是根据本发明另一具体实施方式的压电振动器的垂直截面图和仰视图，其中另外提供了用于控制振动的弹性构件；

图6是根据本发明又一具体实施方式的压电振动器的垂直截面图和仰视图，其中多作用振动器被相对弹性构件对称地形成；

图7(a)至图7(e)是根据本发明又一具体实施方式的压电振动器的俯视图，其中改变了压电构件的数量、形状以及截面面积；以及

图8是根据本发明又一具体实施方式的压电振动器的垂直截面图和仰视图，其中具有不同面积的多个压电构件以多层结构形成。

具体实施方式

下文将参照附图详细描述本发明的优选具体实施方式，其中相同元件用相同标号表示。

图1是具有不对称I-形状的压电振动器的垂直截面图和仰视图，其被披露于以本申请的申请人的名义提交的韩国专利申请第2004-70101号中。

在上面的压电振动器的情况下，沿整个振动器10的轴向获得的截面(其垂直截面)具有不对称的I-形状。因此，减小了从用于产生振动的压电致动器11至用于传递振动的电构件的第一部分12a的截面面积，从而能够增大振动的振幅。与其它的传统压电振动器相比，这种类型的压电振动器可产生高声压。然而，在其用于面板扬声器的情况下，多个压电振动器必须连接至扬声器面板以便获得立体声效果。因此，其结构复杂或使用的材料量增加，从而增加成品的价格。

图2是根据本发明一个具体实施方式的压电振动器100的垂直截面图和仰视图。本发明的压电振动器由较简单的结构构成，其包括用于将电信号转换为机械振动的多作用振动器110、以及用于将该机械振动传递到外部的振动传递弹性构件120。

如图2所示，与前面的韩国专利申请第2004-70101号相似，本发明的压电振动器100在沿整个振动传递弹性构件120和多作用振动器110的轴向获得的截面上总体具有英语字母I-形状。这种结构有利于获得高声压。因此，降低了朝向振动传递弹性构件的第一部分120a的截面的面积，从而达到增大振动的振幅的效果。

多作用振动器110由压电构件110a、110a′和连接至该压电构件的弹性构件110b构成。压电构件设置有用于接收来自外部的电信号的电极，但是为了清楚解释说明根据本发明的压电振动器的结构特征的目的，在附图中没有示出这种电极。该电极可通过本发明所属领域熟知的技术来实现。

本发明的压电振动器设置有多个彼此分开形成的压电构件110a、110a′，并且每一个压电构件独立地接收彼此不同的频带的电信号。因此，不同构件可以产生具有不同范围的不同声音，从而使用单个振动器产生立体声。另外，高频信号被施加至一个压电构件110a而低频信号被独立地施加至另一个压电构件110a′，使得可以在整个声音范围内获得高声压。

图3是曲线图，比较了由本发明的压电振动器和韩国专利申请第2004-70101号中的图1所示的传统压电振动器产生的声压。从图3可以看出，与前述专利申请中的传统压电振动器相比，具有本发明的多作用振动器110的压电振动器在整个声音范围内显示出的声压提高了大于15dB。

在本发明中，采用了多作用振动器110的一种新的结构来代替双晶致动器，在该新的结构中，弹性构件110b由两个彼此分开的压电构件110a、110a′构成；从而可以防止该压电构件受外部冲击或长期工作所致的破坏。

图4是具有图2的压电振动器的压电面板扬声器的俯视图和侧视图。在该具体实施方式中，压电振动器100被安装在振动面板200的规定边缘区。如上所述，由多作用振动器110产生的振动通过振动传递弹性构件120的每一个部分120a、120b被传递到振动面板200，并且声音被输出到外部。由于其根据本发明的压电振动器100的结构的几何特征，所以其可以产生显著高于传统扬声器的声压。另外，不同于在前述韩国专利申请第2004-70101号中的振动器，该简单构造的振动器100(其中单个压电振动器被安装在单个面板上)可获得立体声。

图5是根据本发明另一具体实施方式的压电振动器的垂直截面图和仰视图，其中设置有用于控制振动的弹性构件。参照图5，该具体实施方式的压电振动器100包括形成在压电构件的其它侧面上的振动控制弹性构件130，其与振动传递弹性构件120分开。相对于多作用振动器110振动控制弹性构件130连接在振动传递弹性构件120的相对侧，以便用来控制由多作用振动器110产生的振动的振幅和由最高声压产生的波长。

图6是根据本发明又一具体实施方式的压电振动器的垂直截面图和仰视图，其中多作用振动器110相对弹性构件110b对称地形成。然而，在图2或图4中的压电振动器100的具体实施方式中，压电构件110a仅被形成在弹性构件110b的一个侧面上，该具体实施方式的压电振动器100设置有关于弹性构件110b对称地形成的另外的压电构件110a″，从而能够产生更高的机械振动信号或声压。同样，可以将另外的振动控制构件130′连接至压电构件110a″。

图7(a)至7(e)是根据本发明其它具体实施方式的压电振动器的俯视图，其中改变了压电构件的数量、形状和截面面积。尽管图2的具体实施方式提出，独立的压电构件的数量为两个，并且多作用振动器和压电构件具有矩形形状，但是应当注意，压电构件的数量和形状可适当地进行变化，这取决于在其上安装有该压电振动器的振动面板的形状，以及所需要的频带。

此外，在本发明的压电振动器中，多作用振动器110和弹性构件120、130的厚度、多边形形状和大小、以及重心可适当地进行调整，这取决于其应用。

图8是根据本发明又一具体实施方式的压电振动器的垂直截面图和仰视图，其中具有不同面积的多个压电构件以多层构造堆叠。在压电构件具有多层结构的情况下，所产生的声音和频率的特性可通过改变压电构件的每一层的面积和形状来进行控制。

在具有上述结构的本发明的压电振动器中，弹性构件优选由诸如钢、铝合金等的金属材料形成。另外，可以使用具有高杨氏模量(优选高于10GPa)的聚合物材料。聚合物材料包括有机或无机聚合物、或其混合物，但不是对其特别的限制。

作为用于连接多作用振动器110与弹性构件120或130的方法，优选诸如环氧树脂的粘合剂，其在固化后具有高硬度，以便使信号衰减现象最小化。

根据本发明的另一特征，压电构件110a优选由本领域常用的PZT(钛酸铅-锌系列材料)的多晶陶瓷形成，或者由具有良好压电性能的压电单晶陶瓷形成。

适合用于本发明的铁电体单晶物质包括PMN-PT(铌酸铅镁-钛酸铅系列材料)、PZN-PT(铌酸铅锌-钛酸铅系列材料)、PZT(钛酸铅锆系列材料)、PYN-PT(铌酸铅镱-钛酸铅系列材料)和PIN-PT(铌酸铅铟-钛酸铅系列材料)。

根据本发明，铁电体单晶物质优选满足以下化学式1和2之一的组成。

[化学式1]

s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]

其中，[P]是PbO、PbO₂和Pb₃O₄，[M]是MgO或ZnO，[N]是Nb₂O₅，[T]是TiO₂，[L]是LiTaO₃、LiNbO₃、Li、Li₂O或Li₂CO₃，或选自由Pt、Au、Ag、Pd、Rh、In、Ni、Co、Fe、Sr、Sc、Ru、Cu、Y和Yb组成的组中的一种金属或其氧化物；以及

x大于或等于0.55且小于或等于0.65，y大于或等于0.09且小于或等于0.20，z大于或等于0.09且小于或等于0.20，p大于或等于0.01且小于或等于0.1，以及s大于或等于0.01且小于或等于0.1。

[化学式2]

[1-x]Pb(Zn_1/3，Nb_2/3)-[x]PbTiO₃，

[1-y]Pb(Mg_1/3，Nb_2/3)-[y]PbTiO₃，

[1-z]PbZrO₃-[z]PbTiO₃，

[1-l]Pb(Yb_1/2，Nb_1/2)O₃-lPbTiO₃，

[1-m]Pb(In_1/2，Nb_1/2)O₃-mPbTiO₃。

其中，x等于零或大于0.01且小于0.2，y大于0.1且小于0.4，z大于0.4且小于0.6，l大于0.2且小于0.8，以及m大于0.2且小于0.8。

具有以上组成的单晶材料可以采用在以转让人IBULEPHOTONICS CO.，LTD的名义提交的韩国专利申请第2003-47458号中所披露的方法进行制备。也将以上韩国专利申请第2003-47458号的披露内容以引用方式并入本申请。

具有以上化学式1和2的单晶材料具有高于传统PZT陶瓷或多晶薄膜的压电应变常数，因而与传统的材料相比，响应于所施加至其上的相同电信号而进行更大的应变。因此，当将其应用于压电振动器时，优选地，其可通过将电信号转换为声音信号而产生更高的声压。此外，由于其具有更高的压电电压常数，因此当施加外部应力如声音信号时，其可以产生更高的输出电压。并且，其具有高的机电耦合系数；有利地，其对于所消耗的电能具有高的能量转化效率。另外，在单晶材料的情况下，原子或分子被规则紧密地压实在给定的空间中，因此可在其上进行精细加工。

根据它们的压电特性，对用于本发明的PMN-PT单晶和传统PZT陶瓷以及PVDF进行比较并总结在表1中。

表1

性能	PVDF	PZT-5A	PZT-5H	PMN-PT单晶
性能	PVDF	PZT-5A	PZT-5H	PMN-PT单晶	密度(kg/m<sup>3</sup>)	1780	7750	7500	8000
介电常数	12	1600	3400	＞5000	密度(kg/m<sup>3</sup>)	1780	7750	7500	8000
介电常数	12	1600	3400	＞5000	介电损失(％)		2	2	＜0.5
机电耦合系数(k<sub>33</sub>)(％)	11	70.5	75	93	介电损失(％)		2	2	＜0.5
机电耦合系数(k<sub>33</sub>)(％)	11	70.5	75	93	压电应变常数(d<sub>33</sub>)(pC/N)	30	374	593	＞2200
压电电压常数(g<sub>33</sub>)(×10<sup>-3</sup>Vm/N)	2	24.8	19.7	44	压电应变常数(d<sub>33</sub>)(pC/N)	30	374	593	＞2200

表1示出了实际测量值，其是依照IEEE(电气电子工程师协会)标准、利用共振检测进行测量的。另外，利用干涉测量法的方法直接测量d₃₃，根据电压，采用LVDT(线性差动变换器)来测量应变值。这里，d₃₃是厚度模式中的压电应变常数，k₃₃是厚度模式中的机电耦合系数，而g₃₃是厚度模式中的压电电压常数。

以上性质对压电振动器的影响将在下面进行描述。

通常，当将电场施加至压电材料时，所产生的应变由以下等式(1)表示：

ΔL＝S×L₀＝d_ij×E×L₀………………(1)

这里，S是应变率，L₀是初始长度[m]，ΔL是变形量[m]，E是电场强度[V/m]，而d_ij是压电应变常数。

从等式(1)可以理解，压电材料的位移与压电应变常数d_ij成正比。

参考表1，PMN-PT单晶的压电应变常数d₃₃为约高于PVDF的70倍和约高于传统PZT陶瓷的4倍。因此，根据本发明，与利用PVDF或PZT陶瓷并具有相同规格的传统压电振动器相比，利用PMN-PT单晶的压电振动器相对于相同的输入电压可增加声压超过4～70倍。换句话说，与传统的压电振动器相比，本发明的压电振动器利用1/70～1/4倍的电压可获得相同的声压振幅。因此，其可以有利地用于要求低能耗和小型化的移动装置。

此外，如表1所示，与传统PVDF聚合物和PZT陶瓷相比，用于根据本发明的压电振动器的PMN-PT单晶具有高的机电耦合系数以及由此对于所消耗电能的高能量效率。因此，可以获得一种消耗较低能量的压电振动器，同时伴随其小型化，也可以减少由于噪声所致的信号失真。

根据本发明的另一特征，以上压电构件110a的单晶可以被构造成块状或薄膜形式，并且可以具有单层或多层结构。在压电单晶材料是以薄膜形式提供的情况下，块状形式的压电单晶材料被压成薄膜形式，然后连接至电极。可替换地，块状形式可连接至电极然后压成薄膜形式。压电单晶的薄膜能够减小压电构件110的整体厚度。

Claims

1.一种压电振动器，包括：用于将电信号转换为机械振动的多作用振动器，包括弹性构件和多个压电构件，其中每一个所述压电构件连接至所述弹性构件的一个面并且具有连接至所述压电构件的两个面的电极；以及连接至所述多作用振动器的所述弹性构件的振动传递弹性构件，用于将所述机械振动传递到外部，其中，不同频带的电信号被独立地施加至构成所述多作用振动器的所述多个压电构件的每一个上。

2.根据权利要求1所述的压电振动器，其中，所述整个压电振动器的垂直轴向截面具有不对称的I-形状。

3.根据权利要求1所述的压电振动器，其中，所述多作用振动器进一步包括连接至所述压电构件的另一面且用于控制所述压电构件的振动方式的振动控制弹性构件。

4.根据权利要求1所述的压电振动器，其中，对应于所述多个压电构件，所述多作用振动器进一步包括在所述弹性构件的另一面的多个另外的压电构件。

5.根据权利要求1所述的压电振动器，其中，所述压电振动器的所述弹性构件由金属材料形成，并且所述金属材料是钢或铝合金。

6.根据权利要求1所述的压电振动器，其中，所述压电振动器的所述弹性构件由具有杨氏模量高于10GPa的有机或无机聚合物材料形成。

7.根据权利要求3所述的压电振动器，其中，所述多个压电构件利用环氧树脂连接至所述振动传递弹性构件和所述振动控制弹性构件。

8.根据权利要求1所述的压电振动器，其中，所述压电构件由钛酸铅-锌系列材料的多晶陶瓷形成，或由铁电体单晶材料形成，所述铁电体单晶材料是选自由铌酸铅镁-钛酸铅系列材料、铌酸铅锌-钛酸铅系列材料、钛酸铅锆系列材料、铌酸铅镱-钛酸铅系列材料和铌酸铅铟-钛酸铅系列材料组成的组中的一种，其具有满足以下化学式1和2之一的组成，

其中，所述化学式1为s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]，这里[P]是PbO、PbO₂和Pb₃O₄，[M]是MgO或ZnO，[N]是Nb₂O₅，[T]是TiO₂，[L]是LiTaO₃、LiNbO₃、Li、Li₂O或Li₂CO₃，或选自由Pt、Au、Ag、Pd、Rh、In、Ni、Co、Fe、Sr、Sc、Ru、Cu、Y和Yb组成的组中的一种金属或其氧化物；并且这里x大于或等于0.55且小于或等于0.65，y大于或等于0.09且小于或等于0.20，z大于或等于0.09且小于或等于0.20，p大于或等于0.01且小于或等于0.1，以及s大于或等于0.01且小于或等于0.1，以及

其中，所述化学式2为[1-x]Pb(Zn_1/3，Nb_2/3)-[x]PbTiO₃、[1-y]Pb(Mg_1/3，Nb_2/3)-[y]PbTiO₃、[1-z]PbZrO₃-[z]PbTiO₃、[1-l]Pb(Yb_1/2，Nb_1/2)O₃-lPbTiO₃和[1-m]Pb(In_1/2，Nb_1/2)O₃-mPbTiO₃，这里x等于零或大于0.01且小于0.2，y大于0.1且小于0.4，z大于0.4且小于0.6，l大于0.2且小于0.8，以及m大于0.2且小于0.8。

9.根据权利要求8所述的压电振动器，其中，所述压电材料具有单层或多层结构。

10.根据权利要求9所述的压电振动器，其中，所述多层结构由具有相同面积和形状或具有彼此不同的面积和形状的层形成。

11.根据权利要求8所述的压电振动器，其中，所述压电材料具有由单晶或多晶材料制成的块状或者薄膜形式。

12.一种具有根据权利要求1至11中任一项所述的压电振动器的压电面板扬声器。