CN102959992A - 振荡器和电子设备 - Google Patents

Abstract

在振荡器(100)中，由振子支撑机构(120)支撑的多个压电振子(111至113)输出高方向性声波。通过振子支撑机构(120)划分弹性构件和压电物质的层叠体来形成多个压电振子(111至113)。由于不必按照矩阵布置多个压电振子，因此可以缩小整个设备的尺寸。还包括对至少一个压电振子输出的声波进行偏转的声音偏转单元。

Description

振荡器和电子设备

技术领域

本发明涉及一种包括压电元件的振荡器，并具体涉及一种压电元件安装到振动构件上的振荡器以及一种具有该振荡器的电子设备。

背景技术

近年来，对诸如蜂窝电话和笔记本计算机等便携式电子设备的需要日益增加。在这样的电子设备中，正在开发具有声音功能(例如，视频电话、电影播放和免提电话)作为商品价值的薄便携式终端。在这种终端的开发中，对于作为声学组件的电声换能器(扬声器)，提高了对高质量声音以及尺寸和厚度缩减的要求。

目前，在诸如蜂窝电话等电子设备中，电动电声换能器已经用作电声换能器。电动电声换能器由永磁体、语音线圈、和振动膜构成。

然而，电动电声换能器由于其工作原理和结构在缩减厚度方面是受限的。另一方面，专利文献1和2公开了压电元件用作电声换能器。

此外，作为利用压电元件的振荡器的另一示例，除了扬声器以外，已知各种电子设备或振荡器，例如，使用来自压电元件的振荡声波来检测到对象的距离的声波传感器(专利文献3)。

现有技术文献

专利文献

[专利文献1]日本待审专利申请再公开(PCT申请译文)No.2007-026736

[专利文献2]日本待审专利申请再公开(PCT申请译文)No.2007-083497

[专利文献3]日本待审专利申请公开特开平03-270282

[专利文献4]日本待审专利申请公开特开平04-074099

发明内容

发明要解决的问题

利用压电元件的振荡器使用压电元件的压电效应产生振动幅度。利用压电元件的振荡器在厚度缩减方面相比于上述电动电声换能器具有优势。然而，在振荡器中，优于要输出的声音具有高方向性，因此仅能沿着一个方向输出声音。

鉴于上述问题设计本发明，并且本发明的目的是提供一种能够沿着多个方向输出高方向性声波的振荡器和电子设备。

解决问题的手段

本发明的振荡器包括：多个压电振子，每个压电振子输出声波；以及振子支撑机构，支撑多个压电振子，使得声波的输出方向彼此不同。

本发明的第一电子设备包括：上述振荡器；以及振荡驱动单元，使振荡器输出通过将低频可听范围声音调制成超声波而获得的高方向性声波。

本发明的第二电子设备包括：上述振荡器；振荡驱动单元，驱动振荡器输出超声波；超声波检测单元，检测从被测量对象反射的超声波；以及距离计算单元，基于超声波检测单元检测到的超声波来计算到被测量对象的距离。

发明的效果

根据本发明的振荡器，能够沿着多个方向输出高方向性声波。

附图说明

根据下述优选实施例和以下附图，上述目标、其他目标、特征和优点将变得显而易见。

图1是示意性示出了作为根据本发明第一实施例的振荡器的电声换能器的结构的垂直截面正视图。

图2是示意性示出了作为根据修改示例的振荡器的电声换能器的结构的垂直截面正视图。

图3是示意性示出了作为根据另一修改示例的振荡器的电声换能器的结构的垂直截面正视图。

图4是示意性示出了作为根据又一修改示例的振荡器的电声换能器的结构的垂直截面正视图。

具体实施方式

参照图1描述本发明的第一实施例。如图1所示，作为实施例的振荡器的电声换能器100包括：多个压电振子111至113，每个压电振子111至113输出高方向性声波；以及振子支撑机构120，支撑多个压电振子111至113，使得声波的输出方向彼此不同。

在电声换能器100中，多个压电振子111至113输出通过将低频可听范围声音调制成超声波而获得的高方向性声波。振子支撑机构120支撑多个压电振子111至113，使得焦点位置彼此不同。这里的焦点位置是高方向性声波被解调成可听范围声波的位置。

此外，在实施例的电声换能器100中，形成一个压电物质114和一个弹性构件115的层叠体，并且振子支撑机构120通过部分地约束层叠体来将层叠体划分成多个压电振子111至113。

更具体地，在实施例的电声换能器100中，四个振子支撑机构120沿着纵方向支撑弹性构件115和压电物质114的层叠体。两个振子支撑机构120支撑层叠体的两端。因此，通过振子支撑机构120将层叠体划分成三个压电振子111至113。

在实施例中，形成具有相同总长度的这三个压电振子111至113。在压电物质114约束振子支撑机构120的表面。

形成支撑层叠体的两端的两个振子支撑机构120，这两个振子支撑机构120的高度高于其余两个振子支撑机构120的高度。为此，在三个压电振子111至113中，将处于中心的一个表面水平地设置，两侧上的两个表面倾斜，使得这两个表面彼此面对。

实施例的电声换能器100包括盒形体外壳130，并且多个振子支撑机构120固定到盒形体外壳130的内底部上。在体外壳130的上表面上形成三个声孔131。三个声孔131对应于三个压电振子111至113，并且使得由压电振子111至113输出的三个高方向性声波分别地通过。体外壳130用作固定端。体外壳130由相对于弹性构件115刚度高的材料形成，例如，不锈钢、黄铜等。

在压电物质114中，在压电层(图中未示出)的上侧和下侧二者上单独形成上电极层和下电极层。振荡驱动单元140通过导线连接至上电极层和下电极层。从振荡驱动单元140向上电极层和下电极层施加电压，因此压电物质114输出可听区的声波或超声波。

构成实施例的压电物质114的材料不具体限于无机材料和有机材料，只要该材料是具有压电效应的材料即可。例如，该材料是具有高电机械转换效率的材料，例如，锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡(BaTiO3)等。

此外，压电物质114的压电层的厚度不具体限于但优选地等于或大于10μm，并且等于或小于500μm。例如，当由陶瓷材料(是易碎材料)形成并且厚度小于10μm的薄膜用作压电物质114时，可能由于机械强度较弱而在处理时使压电物质114出现断裂、损坏等，因此难以处理压电物质114。

此外，当厚度超过500μm的陶瓷用作压电物质114时，从电能量到机械能量的转换效率显著劣化，因此不能获得电声换能器100的足够性能。

通常，在通过电信号的输入产生电致伸缩(electro-strictive)效应的压电陶瓷中，转换效率依赖于电场强度。将该电场强度表示为(输入电压)/(极化方向的厚度)，因此厚度增加必然引起转换效率降低。

在实施例的压电物质114中，如上所述在主表面上形成上电极层和下电极层，以便产生电场。不具体限制上电极层和下电极层的材料，只要该材料是具有导电性的材料即可，但优选地使用银或银/钯。银用作低阻抗通用电极层，因此在制造工艺和成本等方面有优点。

此外，银/钯是抗氧化方面优秀的低阻抗材料，因此在可靠性方面具有优点。此外，不具体限制上/下电极层的厚度，但是厚度优选地等于或大于1μm，并等于或小于50μm。

例如，当上电极层和下电极层的厚度小于1μm时，由于这些层的厚度薄，因此不能均匀地形成这些层，转换效率会降低。同时，作为形成薄膜形式的上电极层和下电极层的技术，存在一种涂覆膏体形式的电导体的方法。

然而，由于当压电物质114是多晶体(例如，陶瓷)时压电物质114的表面是光滑表面，因此涂覆时的润湿状态劣化，因此不能均匀地形成电极层，除非电极层具有特定程度的厚度。

另一方面，当上电极层和下电极层的膜厚度超过100μm时，在制造方面没有特别的问题，但是上电极层和下电极层用作相对于构成压电层的压电陶瓷材料约束表面，因此能量转换效率降低。

在根据实施例的电声换能器100的压电物质114中，压电物质114一侧上的主表面受弹性构件115的约束。此外，弹性构件115同时具有调节压电物质114的基本谐振频率的功能。机械压电振子111至113的基本谐振频率f依赖于负载重量和柔度，如以下表达式所表达。

表达式1

$f=1/\left(2\mathrm{\πL}\sqrt{\mathrm{mc}}\right)$

同时，“m”表示质量，“c”表示柔度。

由于柔度是压电振子111至113的机械刚度，因此可以通过控制压电物质114的刚度来控制基本谐振频率。

例如，通过选择弹性模量高的材料或缩减弹性构件115的厚度来使基本谐振频率偏移到低通。另一方面，通过选择具有高弹性模量的材料或者增加弹性构件115的厚度可以使基本谐振频率偏移到高通。

存在对设计、成本、可靠性等的限制的问题，这是由于已经通过压电物质114的形状或材料控制了基本谐振频率。另一方面，在实施例中，可以通过改变作为配置构件的弹性构件115来容易地将基本谐振频率调节到期望值。

同时，不具体限制构成弹性构件115的材料，只要该材料是相对于陶瓷(易碎材料)具有高弹性模量的材料(例如，金属或树脂)，但是从可加工性或成本观点来看，优选地，该材料是通用材料，例如，磷青铜或不锈钢。

此外，弹性构件115的厚度优选地等于或大于5μm，并且等于或小于1,000μm。当弹性构件115的厚度小于5μm时，机械强度弱，因此会损害作为约束构件的功能。此外，由于弹性构件115的处理精度的劣化，在制造批次之间出现压电物质114的机械振动特性的误差。

此外，当弹性构件115的厚度超过1,000μm时，加强由于刚度增加而引起的对压电物质114的约束，因此存在引起振动位移量衰减的问题。此外，在实施例的弹性构件115中，纵向弹性模量(指示材料刚度的指数)优选地等于或大于1GPa，并且等于或小于500GPa。如上所述，当弹性构件115的刚度过低或过高时，会损害作为机械振子的特性或可靠性。

不具体限制振子支撑机构120的材料，但是该材料优选地是刚度比弹性构件115和压电物质114的刚度高的材料。例如，振子支撑机构120由黄铜等形成。此外，该材料可以由与体外壳130的材料相同的材料形成，并且振子支撑机构可以与体外壳130整体形成。

接着，描述根据实施例的电声换能器100的操作原理。根据实施例的电声换能器100从多个压电振子111至113产生高方向性声波。

根据本发明的电声换能器100包括由振子支撑机构120划分的多个压电振子111至113，并且多个压电振子111至113由弹性构件115和压电物质114构成，振子支撑机构120固定多个压电振子111至113的两端。

多个压电振子111至113振荡通过调制可听声音而获得的超声波(例如，超声波的频带等于或小于20kHz)。将经调制的超声波解调到空气中的可听声音。这里的超声波是经调制的波传送载体，并且超声波的频率例如是100kHz。

对多个压电振子111至113发射到空气中的超声波执行调制，例如，执行AM调制、双边带调制(DSB)调制、单边带调制(SSB)调制或频率调制(FM)调制。然后当超声波传播到空气中时，由于非线性特性出现可听声音。

非线性特性的示例包括当由流体的惯性作用和粘性作用的比值表示的雷诺数增大时出现从层流到湍流的过渡的现象。

由于声波在流体内被很轻微地扰动，因此非线性地传播声波。尽管低频带下声波的幅度是非线性的，但是声波具有非常小的幅度差，因此通常被视为线性理论中的现象。另一方面，可以容易地在超声波中观察到非线性。当将超声波发射到空气中时，显著地产生基于非线性的较高谐波。

声波是一种疏密波，其中，稀疏分子集合和密集分子集合共同存在于空气中。在空气分子的恢复比压缩更费时的情况下，在压缩之后不能恢复的空气与连续传播的空气分子碰撞。从而，出现冲击波，并且因此产生可听声音。

压电物质114具有高机械质量因子Q(在下文中，被称作机械Q)。为此，在压电振子111至113中，能量集中在基本谐振频率附近，并且在谐振频率附近输出较高。然而，在另一方面，压电振子111至113的输出显著衰减。

然而，压电振子111至113在单个频率处产生声波。为此，当压电物质114的机械Q增加时，由压电振子111至113输出的声波的声压级增加。因此，当使用压电振子111至113时，电机械转换效率提高。

同时，如附图所示，在实施例中，多个压电振子111至113沿着彼此不同方向输出高方向性声波。多个高方向性声波在体外壳130的内部彼此交叉，但是在焦点位置处彼此不交叉，其中在焦点位置处执行到可听范围声波的解调。

为此，可以在期望位置处将超声波解调成可听范围声波，而不会进行由于交叉干涉的不期望解调。根据实施例的电声换能器100可以沿着多个方向输出在期望位置被解调成可听范围声波的高方向性声波。此外，能够比现有参数扬声器更广泛地输出高方向性声音，在现有参数扬声器中，按照矩阵布置多个压电振子。

此外，在根据实施例的电声换能器100中，还能够在电声换能器100的制造期间，通过调节压电振子111至113的位置而改变多个压电振子111至113的面积来调节每个压电振子111至113的基本谐振频率。

为此，可以容易地向多个压电振子111至113给出期望的基本谐振频率。可以通过同时驱动彼此具有不同基本谐振频率的压电振子111至113来使得具有低声压级的频带彼此互补。

同时，在根据实施例的电声换能器100中，多个压电振子111至113输出的高方向性声波彼此交叉。能够通过影响由于该交叉而引起的干涉来放大或减小经解调的可听范围声波。此外，还能够使解调可听范围声波的位置发生波动。

此外，由于声波从多个压电振子111至113产生，因此能够使用超声波实现可听声音再现的立体声。

此外，在根据实施例的电声换能器100中，层叠体由多个振子支撑机构120约束，从而形成多个压电振子111至113，在层叠体中，一片压电物质114与一片弹性构件115彼此整体绑定。因此，简化了压电振子111至113的结构，并且生产率高。此外，容易使多个压电振子111至113的频率特性相等。

根据实施例的电声换能器100还可以用作电子设备(例如，蜂窝电话、笔记本类型个人计算机、小尺寸游戏机等)的声源。在这种情况下，能够抑制电声换能器100的尺寸增大，并且改善声学特性。电声换能器100例如是便携式电子设备。

同时，本发明不限于上述实施例和示例，在不背离本发明范围的前提下可以进行各种改变。例如，在具有上述配置的电声换能器100中，考虑将多个压电振子111至113划分成相同尺寸。然而，这样的多个压电振子111至113在尺寸方面可以彼此不同(图中未示出)。

此外，在上述配置中，例示了方向彼此不同的多个压电振子111至113。然而，可以将方向彼此不同的多个压电振子中的每一个形成为矩阵中的参数扬声器，并且高方向性声波的输出方向可以偏转(图中未示出)。

此外，在具有上述配置的电声换能器100中，例示了多个压电振子111至113由多个振子支撑机构120固定，并且沿着多个固定方向输出高方向性声波。

然而，如在如图2中的振荡器所例示的电声换能器200中，多个压电振子111至113可以由振子支撑机构210(声音偏转单元)来支撑。振子支撑机构210可垂直伸展，并且例如由压电元件或类似元件形成。在这种情况下，多个压电振子111至113的偏转方向可以改变。

在电声换能器200中，将对三个压电振子111至113的方向与四个振子支撑机构210的可伸展状态之间的关系加以指示的数据存储在振荡驱动单元140中。当压电振子111至113偏转时，四个振子支撑机构210中的至少一个基于所记录的数据而伸展或收缩。在电声换能器200中，如上所述，由于改变多个压电振子111至113的方向，因此能够改变要输出的高方向性声波的方向。

此外，如在图3中的振荡器所例示的电声换能器300中，声音偏转单元例如可以包括声音反射构件310和对声音反射构件310进行偏转的反射可变机构320。声音反射构件310反射两侧的压电振子111和113输出的高方向性声波。

例如，这样的反射可变机构320包括支撑柱321和压电元件322。支撑柱321附着至体外壳的上表面。压电元件322附着至支撑柱321的上端及其下部，从而沿着横方向可伸展。声音反射构件310附着至压电元件322的开口端。

在电声换能器300中，如上所述，由于反射从多个压电振子111至113输出的高方向性声波的声音反射构件310的方向可以改变，因此能够改变要反射的高方向性声波的方向。

同时，当然，上述声音反射构件310和反射可变机构320可以置于高方向性声波入射的位置，并且例如可以置于体外壳130内部(图中未示出)。

此外，如在图4中的振荡器所例示的电声换能器400中，声音反射单元可以包括声音传输构件410。为多个压电振子111至113中的每一个提供声音传输构件410。声音传输构件410传输从压电振子111至113输出的高方向性声波。利用传输可变机构调节声音传输构件410的方向。

例如，声音传输构件410是圆筒形，并且以枢轴转动方式支撑到体外壳130的顶板，从而能够旋转。圆筒的中空部分是声孔411，并且具有逐渐变细的形状。传输可变机构由螺线管、步进电机等构成，并且旋转声音传输构件410。

在电声换能器400中，将对高方向性声波的输出方向与声音传输构件410的旋转移动角度之间的关系加以指示的数据记录在振荡驱动单元140中。当高方向性声波的输出方向改变时，基于记录的数据旋转三个声音传输构件410中的至少一个。

在电声换能器400中，由于声音传输构件410的方向可以改变，因此能够改变通过声孔411的高方向性声波的方向。

此外，声音传输构件410的声孔411形成为逐渐变细的形状，其中入射方向开口较大。为此，如上所述，即使当声音传输构件410旋转时，也能够使高方向性声波入射在声孔上。

此外，在上述配置中，例示了在压电物质114的整个上表面和下表面上均匀形成电极层。然而，可以针对多个压电振子111至113中的每一个单独形成电极层(图中未示出)。

此外，在上述配置中，例示了一个压电物质114和一个弹性构件115的层叠体受振子支撑机构120的约束，从而形成多个压电振子111至113。然而，在一开始就单独形成的压电振子可以由振子支撑机构支撑(图中未示出)。

此外，在上述配置中，例示了三个压电振子111至113按照凹形布置。然而，多个压电振子111至113可以按照凸形布置，并且压电振子的个数可以是两个，并且可以四个或更多(图中未示出)。

此外，在上述配置中，将电声换能器100等例示为振荡器。例如，这样的电声换能器100等可以安装到作为电子设备的蜂窝电话上。

此外，作为电子设备，可以实现声纳(图中未示出)等，声纳是振荡器并包括：电声换能器100或产生超声波的类似元件；振荡驱动单元，驱动电声换能器100或类似元件、超声波检测单元，检测从被测量对象反射的超声波；以及距离计算单元，利用超声波检测单元的检测结果计算到被测量对象的距离。

同时，上述多个实施例和多个修改示例可以在与其内容一致的范围内自然组合。此外，在上述实施例和修改示例中，尽管已经具体描述了每个部件的结构等，但是还能够以不同方式在满足本发明的范围内对该结构等做出改变。

本申请要求2010年7月23日递交的日本专利申请No.2010-166550的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

Claims (10)

1.一种振荡器，包括：

多个压电振子，每个所述压电振子输出声波；以及

振子支撑机构，所述振子支撑机构支撑所述多个压电振子，使得所述声波的输出方向彼此不同。

2.根据权利要求1所述的振荡器，其中，形成压电物质和弹性构件的层叠体，并且

所述振子支撑机构将所述层叠体划分成所述多个压电振子。

3.根据权利要求1或2所述的振荡器，还包括声音偏转单元，所述声音偏转单元对至少一个所述压电振子输出的声波进行偏转。

4.根据权利要求3所述的振荡器，其中，所述声音偏转单元包括：至少一个声音反射单元，所述声音反射单元反射要被改变的声波；以及反射可变单元，所述反射可变单元改变所述声音反射单元的方向。

5.根据权利要求3所述的振荡器，其中，所述声音偏转单元包括：至少一个声音传输单元，所述声音传输单元传输要被改变的声波；以及传输可变单元，所述传输可变单元改变所述声音传输单元的方向。

6.根据权利要求1或2所述的振荡器，其中，所述声音偏转单元包括声波改变单元，所述声波改变单元改变所述多个压电振子中的至少一个压电振子的方向。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的振荡器，其中，所述多个压电振子输出通过将低频可听范围声音调制成超声波而获得的高方向性声波，并且

所述振子支撑机构支撑所述多个压电振子，使得将所述高方向性声波解调成所述可听范围声波的位置彼此不同。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的振荡器，其中，所述多个压电振子输出超声波的高方向性声波，并且

所述振子支撑机构支撑所述多个压电振子，使得反射所述高方向性声波的位置彼此不同。

9.一种电子设备，包括：

根据权利要求1至8中任一项所述的振荡器；以及

振荡驱动单元，所述振荡驱动单元使所述振荡器输出通过将低频可听范围声音调制成超声波而获得的高方向性声波。

10.一种电子设备，包括：

根据权利要求1至8中任一项所述的振荡器；

振荡驱动单元，所述振荡驱动单元驱动所述振荡器输出超声波；

超声波检测单元，所述超声波检测单元检测从被测量对象反射的所述超声波；以及

距离计算单元，所述距离计算单元基于所述超声波检测单元检测到的所述超声波来计算到所述被测量对象的距离。

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