CN102668598A - 致动器、压电致动器、电子装置，和用于衰减振动并且转换振动方向的方法 - Google Patents

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Abstract

粘弹性体（14）被设置在振动膜（13）和支撑振动膜（13）的支撑部件（15）之间，其中振动膜（13）由于压电振动器（10）的振动而振动，该压电振动器（10）由压电元件（11）和基部（12）构成。粘弹性体（14）衰减被从支撑部件（15）传递到振动膜（13）的振动，并且将是与振动膜（13）的主表面平行的振动的、振动膜（13）的表面方向振动转换成振动膜（13）在与基本表面方向垂直的方向上的振动。振动膜（13）被以在中心处具有开口（13a）的环形形式形成，并且基部（12）被共轴地连接到振动膜（13）的开口（13a）。

Description

致动器、压电致动器、电子装置,和用于衰减振动并且转换振动方向的方法
技术领域
本发明涉及一种致动器、压电致动器、电子装置，和用于衰减振动并且转换振动方向的方法。
背景技术
近来，随着诸如蜂窝电话的小型通信装置已经变得被广泛地使用，对于小型的和节电的致动器存在增加的要求。鉴于这种情况，使用压电元件作为振动驱动源并且实现小的尺寸和节电的各种压电致动器已经得到研制。压电元件是具有压电效应和反压电效应的元件。压电元件当被施加诸如振动或者压力的外部作用力时产生电压，并且相反，当被施加电压时振动（移位）。
当在压电振动器内的压电元件振动时，压电致动器产生机械振动。例如，作为蜂窝电话的电子部件，压电致动器具有在诸如振动器的振动装置和诸如扬声器的声学装置中的应用。
以上压电致动器的压电振动器包括具有在基部的两侧上接合的压电元件的双压电晶片类型的压电振动器和具有在基部的一侧上接合的压电元件的单压电晶片类型的压电振动器。
通常，与单压电晶片压电振动器相比较，双压电晶片压电振动器具有诸如高振动驱动动力和大振动振幅的优点。
图13是具有双压电晶片压电振动器的压电致动器101的分解透视图。如在图中所示，压电致动器101具有一对具有作为压电体的压电陶瓷板的上和下压电元件11、该一对上和下压电元件11被接合到的基部12、其顶表面的内周边部被接合到基部12的下表面的外周边部的环形振动膜13，和连接并且支撑振动膜13的环形支撑部件（框架）15。该一对上和下压电元件11和基部12构成压电振动器（振动发生器）10。作为导电体的一对电极层（未示出）形成在每一个压电元件11的顶表面11a和下表面11b上。
如果压电致动器101具有使得它能够被用作蜂窝电话的电子部件的20mm的直径（在一侧上的长度），则压电致动器101具有2kHz或者更高的基本共振频率f0。
图14（A）是具有上述双压电晶片压电振动器的压电致动器101的芯部的横截面视图并且图14（B）是示出压电致动器101的振动的示意性图示。
如在图14（A）和图14（B）中所示，当交流电压被施加到压电元件11的该一对上和下电极层以在其内部产生交流电场时，压电元件11径向地膨胀/收缩。因为压电元件11被接合到基部12从而抑制它的膨胀/收缩运动，如在图14（B）中所示，当压电元件11膨胀/收缩时，基部12在垂直于到压电元件11的接合表面的方向上挠曲。换言之，基部12反复地变形为在图14（B）中由实线指示的凸形模式和由虚线指示的凹形模式。然后，当基部12以如此方式变形时，振动膜13的内周边部在上下（竖直或者垂直）方向上振动。然后，当振动膜13的内周边部振动时，基部12和振动膜13在垂直于基部12的顶表面和下表面（还被称作主表面）的方向上挠曲（振动），在此期间到支撑部件15的连接部用作固定端部并且基部12的中心部用作最大振幅部。
通常由诸如陶瓷（压电陶瓷板）的高度刚性材料制成的压电元件11趋向于以小的振动振幅振动。因此，与使用在永久磁体和线圈之间作用的电磁作用力作为振动驱动源的电动致动器相比较，上述压电致动器101趋向于具有低水平的振动振幅和/或声压。这里，术语“刚性”指的是由杨氏模量E（Pa）和诸如厚度和形状的形状因子确定的物体的性质。
图15和图16示出另一参考实施例的压电致动器102，其与上述参考实施例不同，即与压电致动器101不同。压电致动器102是双压电晶片类型的，并且除了振动膜13被一对上和下支撑部件15m和15n夹持之外，具有与图13、图14（A）和图14（B）所示压电致动器101相同的结构。
当诸如压电致动器和电动致动器的致动器被用作振动装置时，理想的是致动器在特殊频带中以大的振动振幅振动。在另一方面，当致动器被用作声学装置时，考虑致动器的振动振幅的频率性质是重要的。换言之，声学装置不仅要求高水平的声压（振动振幅）而且还要求在是听觉意义上重要的可听范围的500Hz到10kHz的频带中均匀（平坦）的频率性质（例如，80dB±10dB），从而忠实地根据在被供应到致动器的电信号中包含的声波信号再现声音。
在另一方面，专利文献1和2公开了用于使用双压电晶片压电振动器增大压电致动器的振动振幅的技术。
专利文献1公开了一个实施例，其中压电致动器被应用于振动装置。专利文献1的图29公开了一种压电致动器，其中压电元件被接合到其两侧的基部经由振动膜而被支撑部件支撑。压电元件的振动受到基部限制并且被转换成挠曲运动。多个横梁被设置在基部的外周边部处。基部的振动被传递到横梁并且进一步被从横梁传递到振动膜从而获得了更大的振动幅度。
在另一方面，专利文献2公开了一个实施例，其中压电致动器被应用于声学装置。这个压电致动器包括外壳、在内和外周边部之间弯曲并且其外周边部被固定到外壳的内表面的环形支撑部件，和被固定到支撑部件的内周边部并且通过接合压电元件和振动板构造的压电振动器。在振动板和外壳经由弯曲的支撑部件而被耦接的情况下，压电振动器在垂直于振动板的板表面的方向和在平行于振动板的板表面的方向两者上振动。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开No.2007/083497；和
专利文献2：未审查日本专利申请特开公报No.2001-339791。
发明内容
本发明所要解决的问题
然而，当以上压电致动器的尺寸减小时，它们具有增加到2kHz或者更高的基本共振频率f0。当它们被应用于振动装置时，难以在达2kHz的频带中增大振动振幅。进而，振动振幅在基本共振频率f0附近的特定频带中被增大。然后，当压电致动器被应用于声学装置时，难以同时改进振动振幅并且平坦化振动振幅的频率性质。然后，对于确保与其小尺寸无关地改进振动振幅并且平坦化振动振幅的频率性质的压电致动器存在强烈的要求。换言之，对于用于在小型压电致动器中实现尽可能低的基本共振频率f0并且更为平坦化振动振幅的频率性质的技术存在强烈的要求。以上问题还发生于在与压电致动器不同的系统中驱动的电动致动器。
如上所述，对于允许在设计振动性质时的高度自由度和小的尺寸并且能够与其驱动系统（压电或者电动）无关地被用作振动装置和声学装置的致动器及其生产技术存在强烈的要求。
本发明是鉴于以上问题而被发明的，并且本发明的示例性目的在于提供一种允许在设计振动性质时的高度的自由度和小的尺寸的致动器和压电致动器、一种在其中安装该致动器或者压电致动器的电子装置，和一种用于衰减振动并且转换振动方向的方法。
用于解决所述问题的方案
为了实现以上目的，根据本发明的第一示例性方面的压电致动器包括：
压电振动器，该压电振动器由压电元件和被压电元件振动的基部构成；
振动膜，该振动膜被接合到基部的主表面的外周边部并且与压电振动器的振动相关联地振动；
支撑部件，该支撑部件支撑振动膜；和
振动方向转换器，该振动方向转换器被置入振动膜和支撑部件之间并且变形以将振动膜在与该振动膜的主表面平行的表面方向上的振动转换成振动膜在几乎与该表面方向垂直的方向上的振动。
根据本发明的第二示例性方面的致动器包括：
振动发生器，该振动发生器在输入驱动信号时产生振动；
振动膜，该振动膜被接合到振动发生器并且与振动发生器的振动相关联地振动；
支撑部件，该支撑部件支撑振动膜；和
振动方向转换器，该振动方向转换器被置入振动膜和支撑部件之间并且变形以将振动膜在与该振动膜的主表面平行的表面方向上的振动转换成振动膜在几乎与该表面方向垂直的方向上的振动。
根据本发明第三示例性方面的电子装置具有作为振动装置安装的以上压电致动器或者致动器。
根据本发明第四示例性方面的电子装置具有作为声学装置安装的以上压电致动器或者致动器。
在根据本发明第五示例性方面的振动衰减和振动方向转换方法中，弹性体被置入振动膜和支撑振动膜的支撑部件之间，该振动膜与振动发生器的振动相关联地振动，并且弹性体通过振动膜的振动而被变形从而衰减被从支撑部件传递到振动膜的振动并且将振动膜在与该振动膜的主表面平行的表面方向上的振动转换成振动膜在几乎与该表面方向垂直的方向上的振动。
本发明的效果
本发明能够提供一种允许在设计振动性质时的高度的自由度和小的尺寸的致动器和压电致动器、一种在其中安装致动器或者压电致动器的电子装置，和一种用于衰减振动并且转换振动方向的方法。
附图简要说明
图1是根据本发明的实施例1的压电致动器的分解透视图；
图2（A）是根据实施例1的压电致动器的横截面视图，（B）是压电元件的放大横截面视图，并且（C）是示出（A）中所示压电致动器的行为（振动）的示意性图示；
图3（A）是示出材料试样的透视图，（B）是示出根据沿着试样的竖直（Y）和水平（X）方向的位移量获得在材料变形中的泊松比的方法的示意性图示，并且（C）是示出当负荷q被施加到试样时沿着长边的挠曲变形的示意性图示；
图4（A）是示出自由度为1的粘性衰减系统的受迫振荡模型的示意性图示，（B）是示出受迫振荡的共振曲线的图解表示，并且（C）是用于解释在粘弹性体模型(viscoelastic body model)中的振动振幅的衰减的图解表示；
图5（A）是用于解释根据本发明的实施例1的压电致动器的行为的放大示意性图示，并且（B）是用于解释根据参考实施例的压电致动器的行为的放大示意性图示；
图6（A）是示出根据本发明的实施例2的压电致动器的横截面视图并且（B）是示出根据其修改实施例的压电致动器的横截面视图；
图7（A）是示出根据本发明的实施例3的压电致动器的横截面视图并且（B）是示出根据参考实施例的压电致动器的横截面视图；
图8（A）是示出根据本发明的修改实施例的压电致动器的横截面视图并且（B）是示出根据本发明的另一修改实施例的压电致动器的横截面视图；
图9（A）到（E）是示出根据本发明的修改实施例的压电致动器的粘弹性体的横截面视图；
图10（A）是示出根据本发明的修改实施例的压电致动器的基部和粘弹性体的透视图并且（B）是示出根据相同的修改实施例的压电致动器的横截面视图；
图11是示出根据本发明的修改实施例的压电致动器的分解透视图；
图12是示出根据本发明的实施例1的压电致动器的使用的横截面视图；
图13是根据参考实施例的压电致动器的分解透视图；
图14（A）是图13所示压电致动器的横截面视图并且（B）是示出图13所示压电致动器的行为（振动）的示意性图示；
图15是根据另一参考实施例的压电致动器的分解透视图；并且
图16是示出图15所示压电致动器的横截面视图。
具体实施方式
此后将描述本发明的实施例。本发明可应用于将被安装在由诸如各种蜂窝电话、PDA（个人数字助理）和小型PC（个人计算机）的小型通信装置表示的电子装置中的振动装置和声学装置。换言之，给出以下实施例是为了解释的意图而非限制本申请的发明范围。因此，本领域普通技术人员能够想到其中某些或者所有的元件被等价的元件替代的实施例并且这种实施例被视为落入本发明的范围中。
<实施例1>
如在图1中所示，根据本发明的实施例1的压电致动器100包括圆盘形压电振动器10、被接合到压电振动器10的外周边边缘部的环形振动膜13、以被接合到振动膜13的环（圆形框架）的形式的、作为振动方向转换器的粘弹性体14，和经由粘弹性体14支撑振动膜13的环形支撑部件（框架）15。
振动膜13是用于有效率地从压电振动器10获取振动的薄膜部件。粘弹性体14行使作为支撑振动膜13的支撑件的功能、将振动膜13的水平振动转换成振动膜13的竖直振动的功能（此后被称作“振动方向转换功能”），和衰减被从支撑部件15传递到振动膜13的振动的功能（此后被称作“振动衰减功能”）。支撑部件15具有稳定压电致动器100的整个形状的功能并且被用于将压电致动器100接合（粘结）到诸如蜂窝电话的各种通信装置（电子装置）的外壳。如在图1中所示，压电致动器100的构件，即由如在以后描述的压电元件11和基部12组成的压电振动器10、振动膜13、粘弹性体14和支撑部件15，被在上下（竖直或者垂直）方向上共轴地堆叠。
如在图2（A）中所示，压电振动器10由圆盘形基部12和具有比基部12小的直径并且被接合到基部12的顶表面和下表面（主表面）的一对圆盘形（在平面视图中圆形(circular in a plane view)）压电元件11构成。基部12用作限制压电元件11的膨胀/收缩运动并且将压电元件11的膨胀/收缩运动转换成基部12的竖直挠曲运动的限制部件。
如在图1和图2（A）中所示，基部12的下表面的外周边部被围绕在振动膜13的中心处的开口13a的周边接合。换言之，基部12在直径上比振动膜13的周边更小并且在直径上比开口13a更大。基部12的外部边沿围绕开口13a的周边安置。在另一方面，压电元件11在直径上比开口13a更小。下压电元件11在图2（A）所示状态中被安置于开口13a内侧。
粘弹性体14的一个表面被接合到振动膜13的主表面（面向粘弹性体14的表面，或者图2（A）中的下表面）的外周边部并且另一个表面被接合到支撑部件15。换言之，粘弹性体14被置入振动膜13和支撑部件15之间并且被固定于此。这里，在图2（A）所示压电致动器100中，粘弹性体14的开口14a和周边和支撑部件15的开口15a和周边分别地是圆形的并且具有相同的直径。
优选的是在图2（A）中基部12和振动膜13接合的区域的面积是基部12的面积的一半或者更小。如果该面积超过基部12的面积的一半，则在基部12和振动膜13之间的接合部可能变得高度刚性，然后限制压电振动器10的振动并且减弱振动膜13的振动振幅。
这里，在该实施例中，如在图1和图2（A）中所示，振动膜13、粘弹性体14和支撑部件15全部具有矩形竖直横截面。
如在图2（B）中所示，压电元件11主要地由压电陶瓷板21构成，该压电陶瓷板由压电物质制成并且具有平行地彼此面对的两个主表面11a和11b。压电陶瓷板21在图1和图2（A）的竖直方向（压电元件11的厚度方向）上向上极化。一对上和下电极层（导电体）21a和21b形成在压电元件11的主表面11a和11b上。
如在图2（A）和图2（B）中所示，该一对上和下压电元件11中的上压电元件11的下表面11b（下电极层21b）被接合到基部12的顶表面的中心部。下压电元件11的顶表面11a（上电极层21a）被接合到基部12的下表面的中心部。
如在图2（C）中所示，由于该一对上和下压电元件11的膨胀/收缩运动，压电致动器100在竖直方向上振动。
更加具体地，交流电压被施加到压电元件11的上和下电极层21a和21b（见图2（B））并且通过压电陶瓷板21产生交流电场。然后，压电元件11的顶表面11a和下表面11b径向地膨胀/收缩，从而导致压电元件11的膨胀/收缩运动。换言之，压电元件11被置于由其中顶表面11a和下表面11b径向地膨胀的第一变形模式和其中顶表面11a和下表面11b径向地收缩的第二变形模式的交替系列组成的膨胀/收缩运动中。
如上所述，当压电元件11膨胀/收缩时，在压电元件11（压电陶瓷板21）和基部12之间的变形幅度的差异引起基部12在竖直方向上弯曲（挠曲）。然后，基部12根据压电元件11的膨胀/收缩运动而反复地变形为在图2（C）中由实线指示的凸形模式和由虚线指示的凹形模式。以此方式，压电振动器10在竖直方向上振动。换言之，基部12和振动膜13在与基部12的顶表面和下表面（主表面）垂直的方向上挠曲（振动），在此期间经由粘弹性体14到支撑部件15的接合部用作固定端部并且基部12的中心部用作最大振幅部。如上所述，当交流电压被施加到压电元件11中的每一个的上和下电极层21a和21b时，压电振动器10在与振动膜13的顶表面和下表面（主表面）垂直的方向上振动。这里，反相的交流电压被施加到上和下压电元件11的上和下电极层21a和21b。然后，上和下压电元件11在相反方向上膨胀/收缩，由此挠曲基部12的振幅进一步增大。换言之，在下压电元件11在第一变形模式中时，上压电元件11被置于第二变形模式中，并且在下压电元件11在第二变形模式中时，上压电元件11被置于第一变形模式中，由此挠曲基部12的振幅能够增大。进而，振动膜13的下表面的外周边部被接合到弹性可变形的粘弹性体14的顶表面并且振动膜13的顶表面的内周边部被接合到基部12的下表面的外周边部。然后，与如在图14（B）中所示仅在内周边部中振动的现有技术振动膜13不同，在基部12振动时，不仅振动膜13的内周边部而且其外周边部也根据粘弹性体14的弹性变形振动。具有以上结构的压电振动器10能够具有增大的振动振幅（声压水平）。
优选的是压电元件11具有在20μm和200μm之间的厚度从而实现优良的挠曲运动。为了使得上压电元件11的下表面11b和下压电元件11的顶表面11a被完全地接合到基部12，压电元件11的顶表面11a和下表面11b具有小于基部12的、面向压电元件11的表面的面积。具有这种结构的基部12有效地用作限制压电元件11的膨胀/收缩运动并且将压电元件11的膨胀/收缩运动转换成基部12的竖直挠曲运动的限制部件。
锆钛酸铅（PZT）陶瓷和钛酸钡陶瓷能够有利地被用于压电陶瓷板21。在它们之中，PTZ陶瓷是优选的，因为其在将输入功率转换成振动能量时提供高能量转换效率。
基部12能够具有提供适当的弹性的各种形状，包括在平面视图中的圆形、矩形和多边形形状。优选地，根据将压电元件11的振动能量有效率地转换成挠曲运动的观点，基部12是圆形的。进而，根据确保适当的刚性的观点，基部12优选地具有在20μm和500μm之间的厚度。
可用于基部12的材料包括诸如磷青铜、42号合金、铝合金、铜合金、铁、铁合金、钛、钛合金、镍、镍合金的各种金属材料。在它们之中，因为其优良的强度和弹性，使用磷青铜或者42号合金是优选的。可用于基部12的其它材料包括诸如环氧、丙烯酸、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚氨基甲酸酯树脂的各种树脂材料。
振动膜13能够具有诸如圆形、矩形和多边形形状的各种外形。类似基部12，根据将压电元件11的振动能量有效率地转换成挠曲运动的观点，振动膜13优选地具有圆形外形。进而，根据产生大的竖直振动振幅的观点，振动膜13优选地具有在5μm和500μm之间的厚度，和更加优选地具有在15μm和180μm之间的厚度。
可用于振动膜13的材料包括诸如环氧、丙烯酸、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚氨基甲酸酯树脂的各种树脂材料。可用于振动膜13的其它材料包括诸如铝合金、铜合金、铁、铁合金、钛、钛合金、镍和镍合金的各种金属材料。
此后将参照图3（A）到图3（C）详细地讨论在该实施例中被用作材料性质的刚性D。
图3（A）所示矩形试样PL的刚性D由材料常数（E，ν）和结构（尺度）确定，并且由以下公式1给出。
刚性D=E×h3/{12×（1–ν2）}…（公式1）
其中E是材料的杨氏模量，h是材料的厚度，并且ν是泊松比（试样PL或者材料在Y方向上的膨胀[收缩]率/试样PL在X方向上的膨胀[收缩]率）。
泊松比ν是当张力在X方向上被施加到试样PL时“试样PL在Y方向上的膨胀[收缩]率）/（试样PL在X方向上的膨胀[收缩]率”的值，并且由以下公式2给出。
泊松比ν=（ΔLa/La）/（ΔLb/Lb）…（公式2）
其中La是短边的长度并且Lb是长边的长度。
例如，如果试样PL在X方向上以1%拉长并且然后试样PL在Y方向上以0.3%收缩，则泊松比ν=0.3%/1%=0.3。
参照图3（C），当负荷q被施加到试样PL以沿着短边将其挠曲时在最大位移Wmax和刚性D之间的关系由以下公式3给出。
最大位移Wmax∝q·La4/D…（公式3）
其中∝是用于比例的符号并且q是负荷。
由于内部摩擦而经历适当的损耗、具有低刚性D并且具有低拉伸弹性模量、即具有低杨氏模量E（N/m2）的材料有利地被用于粘弹性体14。
换言之，粘弹性体14优选地具有在1×104（N/m2）和1×1011（N/m2）之间的杨氏模量E，和更加优选地在1×106（N/m2）和1×108（N/m2）之间的杨氏模量E。进而，如果粘弹性体14由弹性体（橡胶材料）制成，则粘弹性体14优选地具有在20和80之间的硬度（JIS K 6253），更加优选地在30和70之间的硬度。具有在以上范围中的杨氏模量E或者硬度的粘弹性体14能够实现振动方向转换功能和振动衰减功能这两者。换言之，如果粘弹性体14具有等于或者低于1×104（N/m2）的杨氏模量E，则刚性D变得过低，由此振动方向转换功能可能未被实现。如果粘弹性体14具有等于或者高于1×1011（N/m2）的杨氏模量E，则刚性D变得过高，由此振动衰减功能可能未被实现。
可用于粘弹性体14的材料包括各种弹性体（橡胶弹性物质）、由弹性体和其它材料组成的各种复合材料、各种树脂材料（聚合物），和各种金属材料。
更加具体地，用于粘弹性体14的材料可以选自由诸如天然橡胶、丁基橡胶、硅橡胶和丁腈橡胶的橡胶材料组成的弹性体，和由其中根据压电致动器100的期望振动性质而适当地分散细小碳颗粒的橡胶材料组成的复合材料。在它们之中，硅橡胶的使用是优选的，因为其易于加工并且具有优良的耐热性。顺便提一句，硅橡胶具有允许提高使共振性质中的突变衰减的功能（“共振性质衰减功能”）的非线性性质，该突变由当物体（振动膜13）的振动振幅增大时由于材料性质和/或物体结构引起。然后，有利地，硅橡胶还具有选择性地衰减在压电振动器10的基本共振频率f0附近的范围中的振动并且防止如在以后描述的过度振动（见图4（C））的功能。
各种树脂和金属材料可以被用于支撑部件15。为了维持压电致动器100的整体形状，具有高刚性D的材料是优选的。
这里，ABS树脂或者聚碳酸酯树脂或者具有玻璃纤维的复合树脂材料可以被用于支撑部件15。可用于支撑部件15的金属材料包括铝、铝合金、镁合金、铜合金、铁、铁合金、钛、钛合金、镍和镍合金。
优选的是振动膜13具有高于粘弹性体14并且低于基部12的刚性D。换言之，优选的是粘弹性体14具有低于振动膜13和支撑部件15的刚性D。这里，通过使用不同的材料形成基部12、振动膜13和粘弹性体14，可以调节它们的刚性D。替代地，通过在厚度和/或形状上调整基部12、振动膜13和粘弹性体14，同样可以调节它们的刚性D。
在该实施例中，用于基部12、振动膜13和粘弹性体14的材料的最佳组合例如是用于基部12的磷青铜、用于振动膜13的PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）树脂，和用于粘弹性体14的、具有60或者更低的硬度（JIS K 6253）的硅橡胶。
在该实施例中，例如，适合用于粘结不同材料的环氧粘结剂可用于粘结构成压电致动器100的构件。这里，在构件之间形成的薄粘结层的厚度优选地是20μm或者更小。如果厚度超过20μm，则粘结剂层将吸收过量的振动能量，这可能引起压电致动器100（振动膜13）具有低于期望值的振动振幅。
这里，为了定量地研究在物体（这对应于在该实施例中的振动膜13）的共振振荡范围中的振动衰减，将参照图4（A）到图4（C）讨论受迫振荡衰减模型。
如在图4（A）中所示，当作用力Pcos（2πf·t）（f是频率）经由通过并列连接具有弹簧常数k的弹簧和具有粘性阻尼系数c的缓冲器形成的粘弹性模型（这对应于在该实施例中的粘弹性体14）而被施加到被固定部件支撑的物体（质量m）时，该物体经受伴随有粘性衰减的受迫振荡。
这里，给出共振物体的振荡振幅的参数|Xdyn|/Xst通过以下公式4来近似，其中ζ是粘弹性模型的阻尼比并且Q值是共振物体的振幅放大因子（振荡增益）。
Figure BDA00001771663000151
…（公式4）
其中Xst是静态位移（F=k·Xst）（F是弹簧张力并且k是弹簧常数），Xdyn是动态位移，阻尼比ζ<1，并且c是粘性阻尼系数。
因此，能够说，|Xdyn|/Xst与Q值成正比并且与阻尼比ζ和粘性阻尼系数c成反比。
如从以上看到地，Q值是在基于胡克定律（F=k·Xst）确定的静态位移Xst和在共振频率下的动态位移Xdyn之间的比率，并且被用作给出共振锐度的量。能够通过计算在图4（B）所示共振曲线上距最大振幅–3dB的点之间的频带Δf（=f2–f1）并且使用以下公式5计算在Δf和基本共振频率f0之间的比率而获得Q值。
Q值=f0/Δf＝f0/（f2-f1）…（公式5）
其中
Figure BDA00001771663000152
f2和f1是与在共振曲线上距最大振幅-3dB的点对应的频率（f2>f1）。
根据以上公式4，理解到阻尼比ζ和Q值具有反比关系。当粘弹性模型的阻尼比ζ增加时，即当粘弹性模型的物体共振性质衰减功能增强时，Q值降低。进而，当粘弹性模型的弹簧常数k减弱时，基本共振频率f0降低（在图4（C）所示情形中基本共振频率f0从f0移位到f0’）。
换言之，如在图4（C）中所示，当粘弹性模型的共振性质衰减功能（阻尼比ζ）增强（Q值降低）并且粘弹性模型的弹簧常数k减弱时，基本共振频率f0降低并且受迫振荡的共振曲线（声压水平（振动振幅）的频率性质）被平坦化（加宽）。更加具体地，防止了在基本共振频率f0附近的过度振荡并且物体在其它频率下的振荡振幅增大。当仅Q值降低时这种效果并不出现。仅当压电振动器10经由具有低刚性D的粘弹性体14被接合到其上的振动膜13被支撑部件15支撑时，这种效果才出现。
为了增强粘弹性模型的物体共振性质衰减功能（阻尼比ζ），期望的是作为以上粘弹性模型的粘弹性体14由具有低刚性D和低拉伸弹性模量、即低杨氏模量E（N/m2）的材料制成。换言之，粘弹性体14优选地具有在1×104（N/m2）和1×1011（N/m2）之间的杨氏模量E，并且更加优选地具有在1×106（N/m2）和1×108（N/m2）之间的杨氏模量E。进而，当粘弹性体14由弹性体（橡胶材料）制成时，粘弹性体14优选地具有在20和80之间的硬度（JIS K 6253）和更加优选地在30和70之间的硬度。通过使用以上由硅橡胶代表并且具有在以上范围中的杨氏模量E和硬度的材料，粘弹性体14在共振性质衰减功能上将被增强。
当物体的振动振幅（机械扭曲）小时，粘弹性体14的振动防止效果低。在另一方面，当物体的振动振幅大时，粘弹性体14的振动衰减功能是显著的。然后，当提高粘弹性体14的振动衰减功能时，防止物体的共振性质的突变，而粘弹性体14在振动方向转换功能上趋向于劣化。
此后将参照图5（A）和图5（B）描述这个实施例的压电致动器100的行为。
在图13、图14（A）和图14（B）所示参考实施例的压电致动器101中，振动膜13和支撑部件15被直接地接合。因此，仅振动膜13在水平表面（横向）方向上的部分振动被转换成振动膜13在上下（竖直或者垂直）方向上的振动。进而，水平（横向）应力在振动膜13和更加刚性的支撑部件15之间的接合部附近集中。
在另一方面，在这个实施例的压电致动器100中，如在图2（A）中所示，振动膜13经由具有比振动膜13低的刚性D的粘弹性体14而被耦接到支撑部件15。
如在图4（C）和图5（A）中所示，被可变形粘弹性体（硅橡胶）14支撑的振动膜13产生以下效果（1）和（2）。
（1）被从压电振动器10传递的、振动膜13在平行于膜表面（主表面）的表面方向（水平方向）上的振动被高度有效率地转换成在几乎与其垂直的上下（竖直）方向上的振动。这个振动使振动膜13和粘弹性体14挠曲，由此振动膜13在竖直方向上很大地振动。进而，因为粘弹性体14的刚性比振动膜13更低，所以振动膜13的水平振动被以更高的效率转换成竖直振动。被置入振动膜13和支撑部件15之间的粘弹性体14防止水平（横向）应力的局部集中。
（2）受迫振荡的共振曲线（声压水平（振动振幅）的频率性质）被平坦化（加宽）。换言之，防止了基本共振频率f0附近的过度振动并且物体在其它频率下的振动振幅增大。
在支撑部件15和振动膜13被直接地接合的参考实施例的压电致动器101中，振动膜13的外周边部被具有高刚性D的支撑部件15约束并且对于压电致动器101的振动根本不做出贡献。相反地，在这个实施例的压电致动器100中，振动膜13经由由具有低刚性D的材料制成的粘弹性体14而被支撑部件15支撑。因此，振动膜13的外周边部能够承担大的振动振幅。因此，压电振动器10的竖直振动振幅明显地增大，由此提高压电致动器100（振动膜13）的振动振幅并且基本共振频率f0从2kHz降低到接近1kHz。然后，压电致动器100的振动振幅的频率性质在500Hz到10kHz（80dB±10dB）的频带中被平坦化。
进而，粘弹性体14由具有低刚性D并且特别地在振动膜13具有大振动振幅的范围中振动衰减功能显著的材料制成，由此粘弹性体14的共振性质衰减功能是显著的。然后，压电致动器100有效地实现了在低频带中振动振幅的增大和振动振幅的频率性质的上述平坦化这两者。进而，由低刚性粘弹性体14和高刚性支撑部件（框架）15组成的复杂支撑结构允许粘弹性体14行使衰减从支撑部件15传递到振动膜13的振动的功能。进而，这个结构用于防止支撑部件15被固定到其上的电子装置的外壳的振动被传递到是振动源的压电振动器10。
这个实施例的压电致动器100具有以下效果。
压电致动器100能够因为它的基本结构而被减小尺寸和扁平化，并且在500Hz到10kHz的宽频带中提供足够大的振动振幅。然后，压电致动器100能够有利地作为振动装置或者声学装置而被安装在诸如蜂窝电话的、具有有限空间用于被所使用的电子部件占据的小型电子装置中。
因为压电致动器100的基本共振频率f0被设定为大约1kHz，所以能够以80dB到10dB再现在500Hz到10kHz的可听频带中的声波。然后，压电致动器100能够被有利地使用，特别地作为用于再现音乐的声学装置。
考虑到压电致动器100的机械振动性质，降低粘弹性体14的刚性D意味着降低压电致动器100的表观刚性（apparent rigidity）并且增加压电致动器100的表观质量成分对于振动性质的贡献。换言之，在设计振动性质时考虑确定压电致动器100的机械振动性质的三个结构成分，即刚性D、质量m和共振性质衰减功能，从而增大压电致动器100（振动膜13）的振动振幅并且平坦化振动振幅的频率性质。
在压电致动器100中，基部12经由具有低于基部12的刚性D的振动膜13和粘弹性体14而被耦接到支撑部件15或者电子装置的外壳。因此，如果支撑部件15或者电子装置的外壳经受冲击，则粘弹性体14和振动膜13在该冲击被传递到压电元件11之前将其吸收。因此，即使脆性陶瓷材料被用作压电元件11的压电体，压电元件11被损坏的风险也被降低。然后，能够有利地在当诸如落下的被使用者误操控时很可能经受相当大的冲击的便携式电子装置中使用压电致动器100。
只要支撑部件15维持它的结构以经由具有低于基部12和振动膜13的刚性D的粘弹性体14支撑振动膜13，压电致动器100便能够增大振动振幅并且平坦化振动膜13的振动振幅的频率性质。优选的是，使小型致动器具有这种性质。进而，能够自由地设计压电致动器100的振动性质。换言之，通过在任意的基础上在材料和/或形状上改变基部12、振动膜13和粘弹性体14，压电致动器100能够具有多样化的振动性质。进而，在不改变支撑部件15的尺寸的情况下，压电元件11、基部12、振动膜13和粘弹性体14的形状和厚度可以被改变。因此，压电致动器100可以是其支撑部件15能够被附接到任何尺寸的电子装置的通用件。为此，其中安装压电致动器100作为振动装置或者声学装置的电子装置能够灵活地适应设计变化，由此能够减少电子装置的生产成本。
<实施例2>
在实施例1的压电致动器100中，粘弹性体14仅被接合到振动膜13的下表面。相反，在实施例2的压电致动器200a中，如在图6（A）中所示，由不同材料制成的第一和第二粘弹性体24和34分别地被接合到振动膜13的顶表面和下表面。
换言之，在实施例2中，振动膜13被具有不同的刚性D的第一和第二粘弹性体24和34夹持。然后，在图6（A）中，第一粘弹性体24的下表面被固定到支撑部件15并且第二粘弹性体34的顶表面被固定到不同于支撑部件15的支撑部件25。这里，支撑部件25不被用于耦接到电子装置的外壳并且具有自由端部。压电致动器200a在其它结构方面与实施例1的压电致动器100相同。在以下解释中，除非另有指出，相同的构件被以相同或者相应的附图标记引用并且它们的解释被省略。
第一和第二粘弹性体24和34两者具有低于振动膜13的刚性D和环形形状，但是它们由不同的材料制成。
类似粘弹性体14，具有低刚性D或者低杨氏模量E的材料趋向于在衰减由于材料的内部机械损耗引起的共振性质的突变的共振性质衰减功能上是显著的。进而，共振性质衰减功能趋向于在取决于材料而不同并且各个材料固有的特定频带中是显著的并且在任何其它频带中是适度的。
如在图6（A）中所示，在将在不同的频带中行使共振性质衰减功能的第一和第二粘弹性体24和34接合到振动膜13的情况下，压电致动器200a能够在比压电致动器100更宽的频带中衰减压电致动器100的振动。进而，压电致动器200a（振动膜13）的振动振幅的频率性质被平坦化。因此，与实施例1的压电致动器100相比较，压电致动器200a作为声学装置是进一步地有利的。
图6（B）示出根据实施例2的修改实施例的压电致动器200b。在这个修改实施例中，第一粘弹性体24的一个表面（顶表面）被接合到振动膜13的下表面的外周边部，并且第一粘弹性体24的另一表面（下表面）被接合到第二粘弹性体34的顶表面。换言之，在这个修改实施例中，在刚性上不同的第一和第二粘弹性体24和34构成单一粘弹性体（振动方向转换器）。类似图6（A）所示的、其中第一和第二粘弹性体24和34被接合到振动膜13的顶表面和下表面的模式，与压电致动器100相比较，这个修改实施例能够增大振动膜13的振动振幅并且进一步平坦化振动振幅的频率性质。
<实施例3>
本发明的技术思想不仅可应用于实施例1和2的压电致动器100、200a和200b而且还可应用于如在图7（A）中所示的、使用由永久磁体31和线圈32组成的电动转换器（振动发生器）33的电动致动器300a。电动致动器300a使用在永久磁体31和通电线圈32之间作用的电磁作用力作为振动驱动源。
如在图7（A）中所示，电动致动器300a包括以封闭式圆柱体的形式的作为支撑部件的磁轭35、被设置在磁轭35的内底部的中心处的永久磁体31、包围永久磁体31并且线圈32缠绕在其外周边上的圆柱形部件32a，和在其下表面的中心处接合圆柱形部件32a的振动膜23。
振动膜23的下表面的外周边部被接合到粘弹性体14的顶表面，该弹性体14具有低于振动膜23的刚性D并且防止传递有害的或者不必要的振动。粘弹性体14的下表面被接合到磁轭35的顶表面，由此粘弹性体14被磁轭35支撑。
当包含声音信号的交流电压在图7（A）所示状态中被施加到线圈32时，电磁作用力作用在永久磁体31和通电的线圈32之间，由此振动膜23振动以再现对应于声音信号的声音。
振动膜23被具有低于振动膜23的刚性D的粘弹性体14支撑。因此，类似实施例1和2的压电致动器100、200a和200b，压电致动器300a能够通过降低振动膜23的基本共振频率f0而增大振动膜23的振动振幅并且平坦化振动振幅的频率性质。
本发明不被约束于上述实施例1到3，并且各种修改和应用都是可用的。
例如，上述实施例1和2利用压电陶瓷板21作为压电体。然而，压电体不被限制于这种陶瓷材料。诸如聚偏氟乙烯的聚合物材料可以被用作压电体，只要材料的直径在其内部发生交流电场时膨胀/收缩。
在上述实施例1和2中，使用其中压电元件11被接合到基部12的两侧的双压电晶片压电振动器10。然而，压电振动器10不被限制于此并且可以是其中压电元件11被接合到基部12的仅一侧的单压电晶片压电振动器。单压电晶片压电振动器以双压电晶片压电元件10的效率的大致一半的效率驱动振动膜13以产生振动。然而，根据减少生产成本的观点，在诸如耳机的不要求高声压水平的声学装置应用中，它是优选的。
在上述实施例1和2中，压电振动器10包括具有相同结构的一对上和下压电元件11。换言之，成对的上和下压电元件11每一个均具有在压电陶瓷板21的顶表面11a和下表面11b上形成的一对上和下电极层21a和21b。然而，上和下压电元件11不被限制于此并且可以具有不同的结构。例如，上和下压电元件11中的一个仅在压电陶瓷板21的顶表面11a和下表面11b中的一个上具有电极层并且另一个在压电陶瓷板21的顶表面11a和下表面11b这两者上具有一对上和下电极层。
在上述实施例1和2中，压电振动器10具有被接合到振动膜13的基部12。压电振动器10可以具有被接合到振动膜13的压电元件11。进而，在上述实施例1和2中，单一（一个）压电振动器10被接合到振动膜13。多个压电振动器10可以被接合到振动膜13。
在上述实施例1和2中，粘弹性体14的开口14a和支撑部件15的开口15a具有相同直径和周边的圆形形状（见图1和图2（A））。然而，这不是限制性的。如在图8（A）中所示，粘弹性体14的开口14a可以在直径上大于支撑部件15的开口15a，或者如在图8（B）中所示，粘弹性体14的开口14a可以在直径上大于支撑部件15的开口15a。如在图8（A）的压电致动器100中的、在横截面中具有小的宽度的粘弹性体14具有更低的刚性D并且用于增大振动膜13的振动振幅；然而，这种粘弹性体14可能使生产稍微更加困难。在另一方面，如在图8（B）的压电致动器100中的、在横截面中具有大的宽度的粘弹性体14具有比图8（A）中的压电致动器100更高的刚性D并且使振动膜13的振动振幅减弱。然而，这种粘弹性体14改进共振性质衰减功能，更加平坦化振动振幅的频率性质，并且使得生产更加容易。
在上述实施例1和3中，粘弹性体14、24和34是总体环形的，具有矩形横截面，并且由诸如硅橡胶的弹性体制成以降低刚性D。然而，可以通过将它们的横截面改变为除了矩形之外的某种形状而调节粘弹性体14、24和34的刚性D。
更加具体地，图9（A）到（E）示出具有除了矩形之外的横截面的粘弹性体141到145。如在图9（A）中所示，具有H形横截面的粘弹性体141有效率地将与压电振动器10的振动相关联的粘弹性体141的竖直弹性变形转换成在粘弹性体141内的剪切变形。粘弹性体141的剪切变形增强共振性质衰减功能并且进一步有效地用于平坦化致动器100、200a、200b、300a和300b和在以后描述的致动器400的振动膜13和23和在以后描述的振动膜130和136的振动振幅的频率性质。进而，粘弹性体可以是如在图9（B）中所示具有I形横截面的粘弹性体142、如在图9（C）中所示具有倒U形横截面的粘弹性体143，或者如在图9（D）中所示具有C形横截面的粘弹性体144。进而，粘弹性体能够是如在图9（E）中所示具有类似管子的O形横截面的粘弹性体145。在具有O形横截面的粘弹性体145的情形中，由于在粘弹性体145的内壁和包含的空气之间的摩擦，调节内壁的弹性和在中空空间中包含的空气的弹性导致在调节粘弹性体的刚性D和杨氏模量E（阻尼比ζ）时提高的自由度，并且导致在共振性质衰减功能上的改进。进而，能够通过在图9（E）所示粘弹性体145的中空空间中引入诸如甘油溶液的高度粘性的液体而调节共振性质衰减功能性。
在上述实施例1和2中，振动膜13和粘弹性体14、24和34在竖直方向上堆叠。然而，这不是限制性的。如在图10（A）中所示，具有低于振动膜130的刚性D的环形粘弹性体140的内周表面能够被一体地接合到环形振动膜130的外周表面。在这种情形中，如在图10（B）中所示，粘弹性体140的下表面的外周边部被接合到支撑部件15的顶表面。可以通过使用所谓的嵌件模制（insert molding）（异质模制）来一体地模制振动膜130和粘弹性体140而获得如刚刚描述地粘弹性体140集成的振动膜130。
在上述实施例1和2中，压电元件11和基部12是圆形的并且振动膜13、粘弹性体14和支撑部件15都是环形的（以圆形框架的形式）。然而，这不是限制性的。例如，如在图11所示压电致动器400中，可以使用具有矩形外形的振动膜136和以矩形框架形式的粘弹性体146和支撑部件156。
上述实施例1和2的致动器100、200a、200b、300a、300b和400设置有环形支撑部件15。然而，这不是限制性的。粘弹性体14可以被直接地接合到电子装置的外壳55；换言之，支撑部件15和电子装置的外壳55可以如在图12中所示地被集成。以此方式，压电致动器100能够具有更小的总体厚度，这对于具有有限空间来安装电子部件的小型电子装置是有利的。电子装置的外壳55的材料可以是包括ABS树脂、聚碳酸酯树脂和不锈钢（SUS304）的各种金属和树脂材料。
如上所述，压电致动器100经由具有低于振动膜13的刚性并且具有共振性质衰减功能的粘弹性体14而被电子装置的外壳55支撑。这个结构防止了伴随压电致动器100的驱动的异常振动经由电子装置的外壳55而被传递到在电子装置内的电子部件，并且消除了诸如不正确的操作和异常噪声的问题。
进而，以上结构用于衰减从电子装置的外壳55传递的有害的振动，由此保护压电致动器100免于外部振动和/或冲击。
<实例>
作为实例，压电和电动致动器（此后统称为“致动器”）和参考实例的致动器被应用于声学装置以用于比较。结果在表格1中示出。致动器被如下地评估。
[评估项目1：归一化共振频率ΔfS]
额定输入的1（V）的交流电压被施加到致动器并且测量基本共振频率f0。基本共振频率f0是作为当声压水平在如在图4（B）中所示声压水平（基部12和振动膜13的振动振幅）的频率依赖性中具有它的峰值时的频率测量的。在表格1中，参考实例2的压电致动器101的基本共振频率（见图13和图14）被用作基准值f0S以获得归一化共振频率ΔfS（%）（=1–f0/f0S）×100（%），其中f0是测量的基本共振频率并且f0S是基准基本共振频率）。这里，具有相同频率和振幅（电压）的交流电压被施加到所有的致动器的压电振动器10的上和下压电元件11。
[评估项目2：归一化声压水平]
额定输入的1（V）的交流电压被施加到致动器并且测量在500Hz的交流电压频率下的声压水平。表格1示出使用从参考实例2的压电致动器101释放的声压p作为基准值pS归一化的声压水平Lp（dB）（=20×log10（p/pS），其中p是测量的声压并且pS是基准声压）（此后被称作“归一化声压水平Lp”）。这里，在距致动器所处位置10cm的距离处使用麦克风测量从致动器释放的声压p。
[评估项目3：声压水平的频率性质的平坦性]
通过向致动器施加额定输入的1（V）的交流电压并且扫描交流电压的频率来测量以上声压水平Lp（dB）的频率依赖性。使用在基本共振频率f0下的声压水平Lp0作为基准值计算致动器的声压水平Lp的波动范围（Lp–Lp0）。然后，基于波动范围（Lp–Lp0）评估致动器的频率性质的平坦性。在表格1中，“A”、“B”和“C”分别地指示在1kHz到10kHz的频带中不超过10dB、超过10dB和不超过15dB和超过15dB的波动范围（Lp–Lp0）。这里，当声压水平的波动范围（Lp–Lp0）更小时，声压水平的频率性质更加平坦。
[评估项目4：抗落下冲击性]
每一个致动器均被安装在蜂窝电话中并且该蜂窝电话从50cm的高度落下并且经受自由落体五次以评估抗落下冲击性。更加具体地，测量在冲击之前在压电致动器的基本共振频率f0下的声压水平Lp0b和在冲击之后在压电致动器的基本共振频率f0下的声压水平Lp0a并且计算声压水平|Lp0b–Lp0a|（dB）的差（此后被称作“声压水平差”）。然后，当声压水平差|Lp0b-Lp0a|更小时，蜂窝电话具有更高的抗冲击性。在表格1中，“A”指示不超过3dB的声压水平差|Lp0b–Lp0a|并且“B”指示超过3dB的声压水平差|Lp0b-Lp0a|。
[表格1]
Figure BDA00001771663000271
（参考实例1）
在图15和图16所示压电致动器102上执行振动性质评估测试作为参考实例1。
压电振动器10的一对上和下压电元件11由两者均为圆盘形的第一和第二压电元件11p和11q组成。第一压电元件11p具有18mm的直径并且第二压电元件11q具有17mm的直径。第一和第二压电元件11p和11q两者均具有40μm的厚度。具有8μm的厚度的电极层21a和21b分别地在压电元件11（11p和11q）中的每一个的顶表面和下表面11b上形成（见图2（B））。基部12由磷青铜制成并且以具有20mm直径和50μm厚度的圆盘的形式。支撑部件15由不锈钢（SUS304）制成并且以环（圆形框架）的形式。支撑部件15具有21mm的外径、20mm的内径（开口15a的半径），和0.5mm的厚度。
压电元件11（11p和11q）的压电体是由PZT陶瓷制成的压电陶瓷板21（见图2（B））。压电元件11（11p和11q）的上和下电极层21a和21b由银/钯合金（重量比7∶3）制成。
压电元件11（11p和11q）通过所谓的生片（green sheet）方法在1100°C的温度下在大气中焙烧两个小时，并且然后为了极化处理压电陶瓷板21。环氧粘结剂被用于将压电元件11（11p和11q）和基部12接合以及将支撑部件15和基部12接合。
（参考实例2）
在图13和图14（A）所示压电致动器101上执行振动性质评估测试作为参考实例2。
这里，压电元件11、基部12和支撑部件15由与图15和图16所示参考实例1的压电元件11（11p和11q）、基部12和支撑部件15m和15n相同种类的材料制成。
压电振动器10的一对上和下压电元件11由两者均为圆盘形的第一和第二压电元件11p和11q组成。第一压电元件11p具有18mm的直径并且第二压电元件11q具有17mm的直径。第一和第二压电元件11p和11q两者均具有40μm的厚度。具有8μm的厚度的电极层21a和21b分别地在压电元件11（11p和11q）中的每一个的顶表面11a和下表面11b上形成（见图2（B））。基部12由磷青铜制成并且以具有20mm直径和50μm厚度的圆盘的形式。振动膜13由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）树脂制成并且以具有开口13a的环（圆形框架）的形式。振动膜13具有21mm的外径、18mm的内径，和25μm的厚度。支撑部件15由不锈钢（SUS304）制成并且以具有开口15a的环的形式。支撑部件15具有21mm的外径、20mm的内径，和0.5mm的厚度。
在振动膜13的内周边部和基部12的外周边部之间的接合区域使以具有0.5mm宽度的环的形式。在基部12的主表面（见图2（A））中，振动膜13的顶表面被接合到该主表面（下表面），具有17mm直径的第二压电元件11q被接合到该主表面（下表面）。
构成压电元件11的压电体和电极层的材料和用于生产压电元件11的过程与参考实例1的压电致动器102相同。如在参考实例1中，也使用环氧树脂粘结剂来接合构件。如在表格1中所示，显然，参考实例2的归一化共振频率ΔfS是0%，因为如上所述，参考实例2的基本共振频率被用作基准值。换言之，参考实例2的压电致动器101的归一化共振频率ΔfS低至0%，而参考实例1的压电致动器102的归一化共振频率ΔfS是38%。换言之，参考实例2的基本共振频率f0与参考实例1的相比较是相当低的，并且如在表格1中所示，归一化声压水平Lp是高的。声压水平的频率性质的平坦性和抗落下冲击性这两者均被改进。
（实例1）
在图1和图2（A）所示压电致动器100上执行振动性质评估测试作为实例1。压电致动器100的构件的具体结构如下。这里，压电元件11（11p和11q）、基部12、振动膜13和支撑部件15在形状和材料上与在参考实例2中的那些相同。
粘弹性体14由具有硬度60的硅橡胶制成并且以具有开口14a的环的形式。粘弹性体14具有21mm的外径、18mm的内径，和250μm的厚度。除了将粘弹性体14接合到其它部件，如在参考实例1中，环氧树脂粘结剂被用于接合构件。硅粘结剂被用于将粘弹性体14接合到其它部件。
如在表格1中所示，实例1的压电致动器100具有-35%的归一化共振频率ΔfS，这进一步低于参考实例2的压电致动器101的归一化共振频率（0%）。进而，与参考实例2相比较，归一化声压水平Lp更高并且声压水平的频率性质的平坦性和抗落下冲击性两者均被改进。
以上结果确认，根据实例1的压电致动器100，能够利用尺寸（所要占据的空间）更小的压电致动器100实现由参考实例2的压电致动器101获得的振动性质。
（实例2）
在实例2中，除了粘弹性体14具有C形横截面（见图9（D））之外，使用具有与在实例1中相同的结构的压电致动器100。在实例2的压电致动器100上执行振动性质评估测试。
如在表格1中所示，与实例2的压电致动器100相比较，实例2的压电致动器100具有被从–35%进一步降低为–38%的归一化共振频率ΔfS。因此，当被施加到压电元件11（11p和11q）的交流电压具有500Hz的频率时归一化声压水平Lp是进一步更高的。然后，如在实例1中，声压水平的频率性质的平坦性和抗落下冲击性是优良的。
（实例3）
在根据实例3的压电致动器200a中，如在图6（A）中所示，由不同的材料制成的第一和第二粘弹性体24和34被接合到振动膜13的顶表面和下表面而代替仅将粘弹性体14接合到振动膜13的下表面。实例3的压电致动器200a在其它结构方面与实例1的压电致动器100相同。在这个压电致动器200a上执行振动评估测试。在以下解释中，除非另有指出，利用相同或者相应的附图标记引用相同的构件并且省略了它们的解释。
类似实例1的粘弹性体14，第一和第二粘弹性体24和34两者均是环形的。第一粘弹性体24由与在实例1中相同的、具有硬度60的硅橡胶制成并且第二粘弹性体34由具有硬度30的硅橡胶制成。
如在表格1中所示，与实例1的压电致动器100相比较，实例3的压电致动器200a的声压水平的频率依赖性的平坦性被改进。进而，在实例3中，如在实例1中，归一化共振频率ΔfS被从参考实例2进一步降低。因此，当被施加到压电元件11（11p和11q）的交流电压具有500Hz的频率时压电致动器100的归一化声压水平Lp是进一步更高的。然后，如在实例1中，声压水平的频率性质的平坦性和抗落下冲击性是优良的。
（实例4）
在图11所示压电致动器400上执行振动性质评估测试作为实例4。压电致动器400具有矩形外形的振动膜136和每一个均以矩形框架的形式的粘弹性体146和支撑部件156。压电致动器400在其它结构方面与实例1的压电致动器100相同。在以下解释中，除非另有指出，利用相同或者相应的附图标记引用相同的构件并且省略了它们的解释。
振动膜136具有在一边上21mm的正方形外形，以及在中心处具有18mm的直径的圆形开口136a。粘弹性体146和支撑部件156每一个均具有正方形框架的形式，具有开口146a或者156a，该开口的外部正方形在一边上是21mm并且内部正方形在一边上是20mm。
与实例1相比较，在实例4中的压电致动器400在尺寸（振动膜136的面积）上增加。因此，当压电致动器400的总体刚性降低时，它具有降低的归一化共振频率ΔfS。归一化声压水平Lp是高的。如在实例1中，声压水平的频率性质的平坦性和抗落下冲击性是优良的。
（实例5）
通过将实例1的压电致动器100安装在如图12中所示的作为电子装置在蜂窝电话中而制备根据实例5的蜂窝电话。蜂窝电话的外壳55由ABC树脂制成并且具有1mm的厚度。外壳55具有具有九个1mm直径的通孔55a以向外部释放由压电致动器100的振动产生的声波。如在图12中所示，通过将支撑部件15接合到蜂窝电话的外壳55构造根据实例5的蜂窝电话。评估作为蜂窝电话的声学装置的振动性质。如在实例1中，在实例5中，归一化声压水平Lp、声压水平的频率性质的平坦性，和抗落下冲击性是优良的。在压电致动器100被驱动时，无有害的振动在蜂窝电话中传递；粘弹性体14的共振性质衰减功能被确认是优良的。
（参考实例3）
在图7（B）所示电动致动器300b上执行振动性质评估测试作为参考实例3。电动致动器300b包括以封闭式圆柱体的形式的作为支撑部件的磁轭35、被设置在磁轭35的内底部的中心处的永久磁体31、包围永久磁体31并且线圈32缠绕在其外周边上的圆柱形部件32a，和在其下表面的中心处接合圆柱形部件32a的振动膜23。
振动膜23的下表面的外周边部经由具有高于振动膜23的刚性D的不锈钢（SUS304）间隔物54而被接合到磁轭35。
这里，振动膜23由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）树脂制成并且以具有16mm直径和25μm厚度的环的形式。对应于电动致动器300a的粘弹性体14的间隔物54是以具有16mm外径、15mm内径，和250μm厚度的环的形式。
包含声音信号的交流电压在图7（B）所示状态中被施加到线圈32从而电磁作用力作用在永久磁体31和通电线圈32之间。因此，振动膜23振动并且再现对应于声音信号的声音。将在以后与以下实例6相比较地给出评估结果。
（实例6）
在图7（A）所示电动致动器300a上执行振动性质评估测试作为实例6。
这里，除了粘弹性体14由具有硬度30的硅橡胶制成，实例6具有与参考实例3相同的结构。以此方式，在实例6中的粘弹性体14具有低于振动膜23的刚性D从而行使共振性质衰减功能。然后，如在表格1中所示，与参考实例3相比较，归一化共振频率ΔfS降低并且归一化声压水平Lp是高的。这里，与参考实例3相比较，声压水平的频率性质的平坦性是优良的。抗落下冲击性与在参考实例3中一样良好。
在不偏离本发明的精神和范围的广义意义的情况下，各种实施例和修改可用于本发明。给出了上述实施例以解释本发明而非限制本发明的范围。换言之，本发明的范围由权利要求的范围而非实施例阐述。在权利要求的范围和与此等价的本发明的意义的范围内作出的各种修改被视为落入本发明的范围中。
该申请基于在2009年12月15日提交并且包括说明书、权利要求书、附图和摘要的日本专利申请No.2009-283894。以上日本专利申请的公开在此通过引用而被以其整体并入。
附图标记
10 压电振动器
11，11p，11q 压电元件
12 基部
13 振动膜
14 粘弹性体（振动方向转换器）
15，25 支撑部件（框架）
21 压电陶瓷板（压电体）
23 振动膜
55 电子装置（蜂窝电话）的外壳
100，101，102，200a，200b，400 压电致动器
300，300a，300b 电动致动器

Claims (18)

1.一种压电致动器，包括：
压电振动器，所述压电振动器由压电元件和被所述压电元件振动的基部构成；
振动膜，所述振动膜被接合到所述基部的主表面的外周边部并且与所述压电振动器的振动相关联地振动；
支撑部件，所述支撑部件支撑所述振动膜；和
振动方向转换器，所述振动方向转换器被置入所述振动膜和支撑部件之间并且变形以将所述振动膜在与所述振动膜的主表面平行的表面方向上的振动转换成所述振动膜在几乎与所述表面方向垂直的方向的振动。
2.根据权利要求1所述的压电致动器，其中：
所述压电元件由平板状的压电体和在所述压电体的两侧上形成的一对导电体构成，并且所述压电元件在向所述一对导电体输入交流信号时振动。
3.根据权利要求1或者2所述的压电致动器，其中：
所述压电元件和基部在平面视图中是圆形的，所述压电元件在面积上比由所述基部的周边限定的区域更小，并且所述压电元件和基部被共轴地堆叠。
4.根据权利要求1到3中任何一项所述的压电致动器，其中：
所述振动膜是环形的，在中心处具有开口；并且
所述基部的主表面的外周边部被与所述振动膜的所述开口的周边边缘区域共轴地接合。
5.根据权利要求1到4中任何一项所述的压电致动器，其中：
使用嵌件模制方法将所述振动膜和基部一体地模制。
6.根据权利要求1到5中任何一项所述的压电致动器，其中：
所述振动膜具有高于所述振动方向转换器并且低于所述基部的刚性。
7.根据权利要求1到6中任何一项所述的压电致动器，其中：
所述振动膜被在刚性上不同的第一和第二振动方向转换器夹持。
8.根据权利要求1到7中任何一项所述的压电致动器，其中：
所述第一和第二振动方向转换器中的一个被固定到所述支撑部件。
9.根据权利要求1到8中任何一项所述的压电致动器，其中：
所述振动方向转换器由来自在刚性上不同的两种或者更多种材料的复合材料制成。
10.根据权利要求1到9中任何一项所述的压电致动器，其中：
所述振动方向转换器由粘弹性体制成。
11.根据权利要求1到9中任何一项所述的压电致动器，其中：
所述振动方向转换器由硅橡胶制成。
12.根据权利要求1到11中任何一项所述的压电致动器，其中：
所述振动方向转换器具有O形横截面。
13.根据权利要求1到12中任何一项所述的压电致动器，其中：
所述振动方向转换器被接合到所述振动膜的主表面或者所述振动膜的外周表面。
14.一种致动器，包括：
振动发生器，所述振动发生器在输入驱动信号时产生振动；
振动膜，所述振动膜被接合到所述振动发生器并且与所述振动发生器的振动相关联地振动；
支撑部件，所述支撑部件支撑所述振动膜；和
振动方向转换器，所述振动方向转换器被置入所述振动膜和支撑部件之间并且变形以将所述振动膜在与所述振动膜的主表面平行的表面方向上的振动转换成所述振动膜在几乎与所述表面方向垂直的方向的振动。
15.根据权利要求14所述的致动器，其中：
所述振动发生器由包含永久磁体和线圈的电动转换器构成。
16.一种电子装置，在所述电子装置中，作为振动装置安装根据权利要求1到13中任何一项所述的压电致动器或者根据权利要求14或者15所述的致动器。
17.一种电子装置，在所述电子装置中，作为声学装置安装根据权利要求1到13中任何一项所述的压电致动器或者根据权利要求14或者15所述的致动器。
18.一种振动衰减和振动方向转换方法，其中：
粘弹性体被置入振动膜和支撑所述振动膜的支撑部件之间，所述振动膜与振动发生器的振动相关联地振动；并且
所述粘弹性体通过所述振动膜的振动而变形，从而衰减被从所述支撑部件传递到所述振动膜的振动并且将所述振动膜在与所述振动膜的主表面平行的表面方向上的振动转换成所述振动膜在几乎与所述表面方向垂直的方向上的振动。
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Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C53 Correction of patent of invention or patent application
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Takahashi Masatake

Inventor after: Onishi Yasuharu

Inventor after: Sasaki Yasuhiro

Inventor after: Shinoda Maoshu

Inventor after: Mataga Junichiro

Inventor after: Sen Youjing

Inventor after: Hei Tianchun

Inventor after: Murata Yukio

Inventor before: Takahashi Masatake

Inventor before: Onishi Yasuharu

Inventor before: Sasaki Yasuhiro

Inventor before: Shinoda Shigeki

Inventor before: Mataga Junichiro

Inventor before: Sen Youjing

Inventor before: Hei Tianchun

Inventor before: Murata Yukio

COR Change of bibliographic data

Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: MASATAKE TAKAHASHI YASUHARU ONISHI YASUHIRO SASAKI SHIGEKI SHINODA JUNICHIRO MADAGA UKYO MORI JUN KURODA YUKIO MURATA TO: MASATAKE TAKAHASHI YASUHARU ONISHI YASUHIRO SASAKI SHINODA SHIGEKI JUNICHIRO MADAGA UKYO MORI JUN KURODA YUKIO MURATA

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