CN102959987B

CN102959987B - 振荡器

Info

Publication number: CN102959987B
Application number: CN201180027655.2A
Authority: CN
Inventors: 大西康晴; 黑田淳; 菰田元喜; 岸波雄一郎; 村田行雄; 佐藤重夫; 内川达也
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2031-06-17
Also published as: JPWO2012001901A1; EP2590435A1; CN102959987A; US20130043769A1; WO2012001901A1; EP2590435A4; US9095880B2; JP5637211B2

Abstract

一种振荡器包括：压电振动器(10)；振动部件(20)，当在平面图中观看时振动部件(20)大于压电振动器(10)，并且振动部件(20)约束压电振动器(10)的一个表面；振动部件(25)，当在平面图中观看时振动部件(25)大于压电振动器(10)，并且振动部件(25)约束压电振动器(10)的另一个表面；弹性部件(30)，支撑振动部件(20)的约束压电振动器(10)的表面的边缘，并且支撑振动部件(25)的约束压电振动器(10)的表面的边缘；以及支撑部件(35)，位于所述弹性部件(30)周围并且支撑弹性部件(30)。

Description

振荡器

技术领域

本发明涉及一种使用压电振动器的振荡器。

背景技术

作为移动设备等的电声换能器，存在一种电动电声换能器。所述电动电声换能器通过使用磁气电路的作用来产生振荡振幅。然而，因为磁气电路由诸如永磁体或音圈之类的大量部件组成，所以在电动电声换能器中，存在对减小厚度的限制。

作为用于代替电动电声换能器的电声换能器，存在一种压电型电声换能器。所述压电型电声换能器通过使用向压电振动器施加电场而产生的膨胀和收缩运动来产生振荡振幅。因为压电型电声换能器不需要大量的部件来产生所述振荡振幅，所以压电型电声换能器具有减小厚度的优势。

作为涉及压电振动器的技术，在专利文件1至5中描述了这些技术。在专利文件1和2中描述的技术中，通过弹性部件由支撑部件支撑附着有压电振动器的振动部件。在专利文件3中，公开了一种压电声学装置，其中从压电元件开始沿其外围方向顺序连接的部件的密度逐渐降低。在专利文件4中，公开了一种波接收型压电元件，其中将压电振动器夹在一对刚性部件之间。专利文件5中描述的技术是一种将切槽设置在压电振动器中的技术，所述压电振动器是通过焊料将压电元件固定在两个振动板之间来构成的。

相关文件

专利文件

[专利文件1]WO2007/083497A1

[专利文件2]日本未审专利公开NO.2002-152888

[专利文件3]日本未审专利公开NO.2001-339793

[专利文件4]日本未审专利公开NO.H6-269092

[专利文件5]日本未审专利公开NO.S60-112397

发明内容

构成压电振动器的压电材料是易碎材料并且具有小的机械损耗。为此原因，与电动电声换能器相反，压电型电声换能器具有高机械品质因子(Q值)。因此，电动电声换能器产生活塞型振幅运动，而压电型电声换能器产生屈曲型振幅运动。因此在压电型电声换能器中，在振动边缘处的位移量小于在电动电声换能器中的位移量，并且压电型电声换能器在振幅扫过体积方面具有劣势。因此，需要如下使用压电振动器的振荡器：其中可以通过在保持尺寸减小的同时确保振幅扫过体积来实现足够的声压级别。

本发明的目的是提供一种使用压电振动器的振荡器，其中可以在保持尺寸减小的同时实现高声压级别。

根据本发明，提出了一种振荡器，包括：压电振动器；第一振动部件，当在平面图中观看时所述第一振动部件大于所述压电振动器，并且所述第一振动部件约束所述压电振动器的一个表面；第二振动部件，当在平面图中观看时所述第二振动部件大于所述压电振动器，并且所述第二振动部件约束所述压电振动器的另一个表面；弹性部件，所述弹性部件支撑所述第一振动部件的对所述压电振动器加以约束的表面的边缘，并且支撑所述第二振动部件的对所述压电振动器加以约束的表面的边缘；以及支撑部件，所述支撑部件位于所述弹性部件周围并且支撑所述弹性部件。

根据本发明，可以提供一种使用压电振动器的振荡器，其中可以在保持尺寸减小的同时实现高声压级别。

附图说明

根据以下描述的优选实施例和相关联的附图，前述和其他目的、特征和优势将变得更加清楚明白。

图1是示出了涉及第一实施例的振荡器的截面图。

图2是示出了图1所示的压电振动器的截面图。

图3是示出了涉及第二实施例的压电振动器的透视图。

图4是示出了移动通信终端的结构的示意图。

具体实施方式

在下文中，将使用附图描述本发明的实施例。此外在所有附图中，用相同的参考数字表示相同的部件，并且将不再重复其描述。

图1是示出了涉及第一实施例的振荡器100的截面图。振荡器100包括压电振动器10、振动部件20、振动部件25、弹性部件30和支撑部件35。例如，使用振荡器100作为扬声器或者声波传感器的振荡源。另外，振荡器100也可以通过使用压电体的热电效应而用作温度传感器。例如，在使用振荡器100作为扬声器的情况下，可以将其用作例如电子设备(移动电话、膝上型计算机、小的游戏设备等)的声音源。

当在平面图中观看时，振动部件20大于压电振动器10。另外，振动部件20约束压电振动器10的一个表面。当在平面图中观看时，振动部件25大于压电振动器10。另外，振动部件25约束压电振动器10的另一个表面。弹性部件30支撑振动部件20的对压电振动器10加以约束的表面的边缘。此外，弹性部件30支撑振动部件25的对压电振动器10加以约束的表面的边缘。支撑部件35位于弹性部件30周围并且支撑弹性部件30。在下文中，将使用图1和图2详细描述振荡器100的结构。

如图1所示，在振荡器100中，由压电振动器10、振动部件20、振动部件25和弹性部件30组成的结构是沿弹性部件30的厚度方向关于中心面对称的。另外，振荡器100包括控制单元90和信号产生单元95。信号产生单元95产生输入至压电振动器10的电信号。控制单元90基于从外部输入的信息来控制信号产生单元95。在使用振荡器100作为扬声器的情况下，输入至控制单元90的信息是音频信号。另外，在使用振荡器100作为声波传感器的情况下，输入至控制单元90的信号是旨在振荡声波的命令信号。那么在使用振荡器100作为声波传感器的情况下，信号产生单元95使得压电振动器10产生具有所述压电振动器10的谐振频率的声波。

另外，在提供了多组压电振动器10、振动部件20、振动部件25和弹性部件30的情况下，可以将振荡器100用作参量扬声器。在这种情况下，控制单元90通过信号产生单元95输入调制信号作为参量扬声器。在使用振荡器100作为参量扬声器的情况下，压电振动器10使用20kHz或以上的声波(例如100kHz)作为信号传送波。

图2是说明了图1所示的压电振动器10的截面图。如图2所示，压电振动器10包括上电极40、下电极45和压电体50。另外例如，所述压电振动器10具有圆形形状、椭圆形状或者矩形形状。例如，压电振动器10具有与弹性部件30相同的厚度。压电体50夹在上电极40和下电极45之间。压电体50由具有压电效应的材料形成，例如由锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡(BaTiO3)等形成。另外，优选地，压电体50的厚度在10μm至1mm的范围上。在厚度小于10μm的情况下，因为压电体50由易碎材料构成，容易发生断裂等。另一方面，在厚度超过1mm的情况下，减小了压电体50的电场强度，从而导致能量转换效率的降低。

例如，上电极40和下电极45由银、或银/钯合金等构成。优选地是上电极40和下电极45的每一个的厚度在1μm至50μm的范围上。在厚度小于1μm的情况下，难以均匀地铸造电极。另一方面，在厚度超过100μm的情况下，上电极40或下电极45变为针对压电体50的约束表面，从而导致能量转换效率的降低。

该实施例中的压电振动器10在其两个表面处受到振动部件20和25的约束。振动部件20和25的每一个具有将压电振动器10产生的振动传播至弹性部件30的功能。另外，振动部件20和25的每一个具有改善振荡器100的机械强度的功能。振动部件20和25的每一个由相对于陶瓷材料具有高弹性模量的材料构成，例如由磷青铜、或不锈钢等构成。优选地是振动部件20和25的每一个的厚度在5μm至500μm的范围上。另外，优选的是振动部件20和25的每一个的纵向弹性模量在1GPa至500GPa的范围上。在振动部件20和25的每一个的纵向弹性模型过低或过高的情况下，存在作为机械振动器的特性或可靠性受损的问题。

例如，弹性部件30由诸如聚氨酯、PET、聚乙烯等之类的树脂材料构成。振动部件20和25通过弹性部件30由支撑部件35支撑。因此，弹性部件30具有的功能在于，使振荡器100的振动边缘在一定程度上是自由的，而非固定的边缘。另外，弹性部件30具有改善振荡器100的机械强度的功能，例如在落下时吸收冲击能。优选地是弹性部件30的刚性小于或等于振动部件20和25的每一个的刚性的1/50。例如，所述支撑部件35由诸如不锈钢之类的金属膜组成。

接下来将描述涉及该实施例的制造振荡器100的方法。首先，制造压电体50。通过明细比较表(greensheet)方法执行压电体50的制造，并在空气中将其在1100℃下烘烤2小时。随后在压电体50上形成上电极40和下电极45。然后，沿厚度方向对压电体50进行极化处理。通过使用环氧基树脂等将按照上述方式获得的压电振动器10接合到振动部件20和25。同时，将弹性部件30接合到振动部件20和25。然后，通过支撑部件35支撑弹性部件30。这样，形成了振荡器100。

可以使得压电体50具有的外径和100μm的厚度。可以使用锆钛酸铅基陶瓷形成压电体50。可以使得上电极40和下电极45的每一个具有8μm的厚度。可以使用银/钯合金(重量比70％∶30％)来形成上电极40和下电极45的每一个。可以使得振动部件20和25的每一个具有的外径和100μm的厚度。可以使用磷青铜形成振动部件20和25的每一个。可以使得弹性部件30是中空形状，其具有的外径、的内径和100μm的厚度。支撑部件35可以构成中空壳体，所述中空壳体具有的外径和的内径。可以使用SUS304形成支撑部件35。

接下来，将描述使用涉及该实施例的振荡器100的压电型电声换能器的声音再现方法。在该实施例中，例如，通过使用参量扬声器的工作原理执行声音再现。在这种情况下，控制单元90通过信号产生单元95将作为参量扬声器的调制信号输入至压电振动器10。在使用振荡器100作为参量扬声器的情况下，压电振动器10使用20kHz或以上(例如100kHz)的声波作为信号传送波。

这里将描述参量扬声器的工作原理。所述参量扬声器的工作原理是基于如下原理来执行声音再现：将受到AM调制、DSB调制、SSB调制或FM调制的超声波辐射到空气中，由于当超声波传播到空气中时的非线性特性，产生了可听见的声音。如这里所述的术语“非线性”的意思是如果流体的惯性作用和粘滞作用之比所表达的雷诺数(Reynoldsnumber)变大，流体从层流转变为湍流。也就是说，因为在流体中对声波进行了微扰，所以声波非线性地传播。具体地，在将超声波辐射到空气中的情况下，明显地产生了由于非线性而导致的高次谐波。另外，声波处于稀薄和密集状态，其中按照密集和稀薄方式混合空气中的分子群。在空气分子花费时间执行恢复而不是压缩的情况下，在压缩之后无法执行恢复的空气与连续传播的空气分子碰撞，从而产生冲击波，并由此产生了可听见的声音。

接下来将描述该实施例的效果。在振荡器100中，通过弹性部件30由支撑部件35支撑振动部件20和25。因此，振动边缘是自由的。因此，振幅扫过体积变大。另外，通过振动部件20和25将压电振动器10的能量传播至弹性部件30。因此，获得了振荡器的机械阻抗的匹配，从而改进了振动传播效率。另外，发明人已经发现，在具有该实施例结构的振荡器100中振幅增加了。认为这是由于如下事实：通过将压电振动器10夹在振动部件20和25之间，在振荡器100中产生了关于振动中心平面的对称性。因此，可以在保持尺寸减小的同时实现高声压级别。

另外，在弹性部件30的刚性是振动部件20和25的每一个的刚性的1/50的情况下，进一步增加了振幅。因此在这种情况下，可以实现更高的声压级别。另外，通过弹性部件30由支撑部件35支撑压电振动器10。因此，可以改善振荡器的冲击稳定性。另外，压电振动器10夹在各自均由金属材料构成的振动部件20和25之间。因此，没有必要将互连直接连接至压电振动器10，从而提高了制造振荡器的容易性。

图3是说明了涉及第二实施例的压电振动器110的透视图。除了压电振动器的结构之外，涉及该实施例的振荡器与涉及第一实施例的振荡器100相同。另外，除了具有层压结构之外，涉及该实施例的压电振动器110与涉及第一实施例的压电振动器10相同。

如图3所示，通过交替地层压多个压电体和多个电极，构成所述压电振动器110。由压电体60、61、62、63和64之间的一个层形成电极70、71、72和73。电极70和72以及电极71和73分别彼此相连。对于每一层，每一个压电体的极化方向反转。另外，在相应电极之间产生的电场的方向也交替地反转。

同样在该实施例中，可以获得与第一实施例中相同的效果。另外，因为压电振动器110具有层压结构，在电极层之间产生的电场强度高。这样，可以改进压电振动器110的驱动力。此外，可以任意地增加或者减少压电振动器110的层压层的个数。

(示例)

制造了图1和图3所示的振荡器，并且研究了每一个振荡器的特性(示例1和2)。在这些示例中，振荡器用作参量扬声器。另外作为比较示例，制造了具有与示例1和2的面面积相同的面面积的电动振荡器，并且研究其特性。在表1中示出了结果。此外，在测量声压级别频率特性时，通过在相距压电振动器10cm的位置处设置的麦克风来测量在1V的交流电压输入时的声压级别。另外在测量落下冲击稳定性时，将安装了具有所述振荡器的电声换能器的移动通信终端从50cm的高度自由落体5次。随后，视觉上确认移动通信终端的破损等。此外，测量声压特性，并且用○表示测试之前和之后的声压级别差不大于3dB的情况。

[表1]

	比较示例	示例1	示例2
				声压级别(1KHz)	77dB	90dB	90dB
声压级别(3KHz)	75dB	87dB	89dB
				声压级别(5KHz)	76dB	86dB	91dB
声压级别(10KHz)	97dB	88dB	89dB
				落下冲击稳定性	x	○	○

从该表中可以发现：与比较示例相比，在涉及每一个示例的振动器中，声压级别较高。另外还发现与比较示例相比，落下冲击稳定性较高。

另外如图4所示，作为移动通信终端120的扬声器122，使用涉及示例1和2的振荡器。将扬声器122安装到移动通信终端120的外壳的内表面上。在表2中示出了在使用每一个示例的情况下扬声器122的特性。此外，测量条件与表1所示的相同。

[表2]

	示例1	示例2
			声压级别(1KHz)	91dB	90dB
声压级别(3KHz)	89dB	89dB
			声压级别(5KHz)	89dB	90dB
声压级别(10KHz)	91dB	91dB
			下降冲击稳定性	○	○

从该表可以发现：与每一个示例相关的移动通信终端120确保了高声压级别。另外，也发现了落下冲击稳定性较高。

以上已经参考附图描述了本发明的实施例。然而，这些实施例是本发明的例证，也可以采用除了上述之外的各种结构。

该申请要求2010年6月30日递交的日本专利申请No.2010-149919的优先权，将其全部内容合并在此作为参考。

Claims

1.一种振荡器，包括：

压电振动器；

第一振动部件，当在平面图中观看时所述第一振动部件大于所述压电振动器，并且所述第一振动部件约束所述压电振动器的一个表面；

第二振动部件，当在平面图中观看时所述第二振动部件大于所述压电振动器，并且所述第二振动部件约束所述压电振动器的另一个表面；

弹性部件，所述弹性部件支撑所述第一振动部件的对所述压电振动器加以约束的所述表面的边缘，并且支撑所述第二振动部件的对所述压电振动器加以约束的所述表面的边缘；以及

支撑部件，所述支撑部件位于所述弹性部件周围并且支撑所述弹性部件；

其中由所述压电振动器、所述第一振动部件、所述第二振动部件和所述弹性部件构成的结构是沿所述弹性部件的厚度方向关于中心面对称的。

2.根据权利要求1所述的振荡器，其中所述弹性部件的刚性小于或等于所述第一振动部件和所述第二振动部件中的每一个的刚性的1/50。

3.根据权利要求1所述的振荡器，其中所述弹性部件由树脂材料构成。

4.根据权利要求1所述的振荡器，其中所述振荡器是声波传感器的振荡源。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的振荡器，其中所述振荡器是扬声器。