CN103262576B - 振荡器设备和电子装置 - Google Patents
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Abstract
在作为振荡器设备的电声换能器100中，位于弹性构件120的两个表面上的压电元件130的主表面的中心位置彼此不同。同样地，由于两个压电元件130被不对称地设置在电声换能器100中的上侧和下侧上，所以防止其中反向相位相互重叠的分割振动时的反向相位的振动是可能的。换言之，由于防止由于局部反向相位的振动而引起的声波的生成是可能的，所以可以改善声压级。
Description
技术领域
本发明涉及使用压电元件的振荡器设备以及使用该振荡器设备的电子装置。
背景技术
在蜂窝式电话中，已经积极地执行了具有诸如音乐再现或免提的声音功能作为商品价值的薄的流行便携式设备的开发。在这点上，对被制造得小且薄并具有高质量声音的电声换能器的需求日益增加。作为响应于该需求的手段，已开发了使用压电元件作为驱动源的压电电声换能器。由于压电电声换能器使用压电元件的自我膨胀和收缩运动，所以压电电声换能器比由磁性电路组成的电动力学电声换能器更薄。
目前，已经提出了各种类型的电声换能器（专利文献1）。
相关文献
专利文献
[专利文献1]日本未审查专利公开号2009-151666。
发明内容
然而，在压电电声换能器中，具有高刚性的压电陶瓷被用作驱动源，并且因此机械质量系数是高的。在这种情况下，存在这样的问题，虽然可能保证基本谐振频率附近的高声压级，但声压级在其他频带中衰减。换言之，由于声学特性的不规则性而难以保证足够的声压级。
此外，由于压电电声换能器受到具有高机械质量系数Q的压电元件的影响，其振动模式变成弯曲型（bending-type）振动。换言之，由于压电电声换能器在其中心部分中具有大的位移分布且在其末端部分中具有小的位移分布，所以与在活塞运动模式中振荡的电动力学电声换能器相比，压电电声换能器在体积排除（volume exclusion）方面是不利的，并且因此具有声压级方面的问题。
鉴于这种情况设计了本发明，并且本发明的目的是提供能够保证足够的声压级的压电振荡器设备和使用该振荡器设备的电子装置。
本发明的振荡器设备包括框架状支撑框架、由支撑框架中的外围部分支撑的扁平弹性构件以及至少两个压电元件，其中的至少一个被设置在弹性构件的两个表面中的每一个上，并且其通过电场的施加膨胀和收缩地移动，其中，位于在弹性构件的两个表面上的压电元件的主表面的中心位置彼此不同。
本发明的第一电子装置包括本发明的振荡器设备，以及使得振荡器设备输出被解调成可听区的声波的超声波的振荡驱动单元。
本发明的第二电子装置包括本发明的振荡器设备、使得振荡器设备输出超声波的振荡驱动单元、检测从振荡器设备振荡并被待测量对象反射的超声波的超声波检测单元以及基于所检测的超声波来测量到待测量对象的距离的距离测量单元。
同时，本发明的各种部件不必一定是独立部件。例如，可以将多个部件形成为一个构件，一个部件可以由多个构件形成，某个部件可以是另一部件的一部分，或者某个部件的一部分或另一部件的一部分可以相互重叠。
根据本发明，提供能够保证足够的声压级的压电振荡器设备是可能的。
附图说明
根据下述优选实施例和随后的附图，上述目的、其他目的、特征和优点将进一步清楚。
图1是图示出作为根据本发明的实施例的振荡器设备的电声换能器的结构的示意性垂直横截面前视图。
图2是图示出作为根据修改示例的振荡器设备的电声换能器的结构的示意性垂直横截面前视图。
图3是图示出作为根据另一修改示例的振荡器设备的电声换能器的结构的示意性垂直横截面前视图。
具体实施方式
图1是图示出作为根据本发明的实施例的振荡器设备的电声换能器100的示意性垂直横截面前视图。
在下文中，将参考图1来描述电声换能器100，其为实施例的振荡器设备。如图1中所示，本实施例的电声换能器100包括框架状支撑框架110、由支撑框架110的外围部分支撑的扁平弹性构件120以及至少两个压电元件130，其中的至少一个被设置在弹性构件120的两个表面中的每一个上且其通过电场的施加膨胀和收缩地移动。
然而，在实施例的电声换能器100中，如上所述，设置在弹性构件120的两个表面上的压电元件130的主表面的中心位置彼此不同。更详细地，当在平面图中看时，位于弹性构件120的一个表面上的第一压电元件130的主表面的中心与位于弹性构件120的另一表面上的第二压电元件130的侧表面重叠。另外，当在平面图中看时，第二压电元件130的中心与第一压电元件130的侧表面重叠。同时，压电元件130和支撑框架110的平面表面可以具有圆形形状或作为矩形形状的正方形等（未示出）。
同时，在压电元件130的两个主表面中的每一个上形成电极层131，并且电极层131被连接到作为振荡驱动单元的驱动电路140。由于这个原因，压电元件130以20 kHz或更多的超声波频带的频率振荡。弹性构件120由金属形成，并且被与压电元件130的电极层131绝缘。然而，弹性构件120也可以是通过允许电极层131与弹性构件120之间的导电而将压电元件130与驱动电路相连的布线的一部分。
压电元件130由具有压电效应的材料形成。虽然用于形成压电元件130的材料并不特别地局限于无机材料和有机材料，但可以使用诸如锆钛酸盐（PZT）或钛酸钡（BaTiO3）之类的材料，其为具有高机电转换效率的材料。另外，压电元件130的厚度不特别受限制，但是优选地等于或超过10 µm且等于或小于1 mm。
当将具有小于10 µm的厚度的薄膜用作是易碎材料的陶瓷材料时，由于处理期间的机械强度弱而发生开裂和损坏，并且因此难于处理薄膜。另外，当使用具有超过1 mm的厚度的陶瓷时，电能被转换成机械能的转换效率显著地降低，并且因此未获得作为电声换能器100的足够性能。一般地，在通过电信号的输入而产生电致伸缩（electrostrictive）效应的压电陶瓷中，转换效率取决于场强。由于相对于极化方向/输入电压通过厚度来表示场强，所以厚度的增加不可避免地导致转换效率的降低。
电极层131在实施例的压电元件130的主表面中形成以便产生电场。虽然电极层131的材料不特别受限制，但可以使用例如银或银/钯。由于银被用作低电阻多用电极材料，所以存在制造工艺或成本等方面的优点。由于银/钯是在抗氧化性方面优秀的低电阻材料，所以从可靠性观点出发存在优点。
另外，电极层131的厚度不特别受限制，但是厚度优选地等于或超过1 µm且等于或小于50 µm。当电极层131的厚度小于1 µm时，膜厚度是薄的，并且因此难以均匀地形成电极层131。由于这个原因，存在转换效率降低的可能性。当电极层131的厚度超过50 µm时，不存在特别的制造问题，但是电极层131相对于压电元件130的陶瓷材料充当约束表面，并且因此能量转换效率降低。
可以使用诸如金属或树脂的材料作为弹性构件120的材料，该材料相对于是易碎材料的陶瓷而言具有高弹性模量。从可加工性或成本的观点出发，使用例如磷青铜或不锈钢的通用材料作为弹性构件120的材料。另外，弹性构件120的厚度优选地等于或超过5 µm且等于或小于1000 µm。当弹性构件120的厚度小于5 µm时，存在问题，即弹性构件120作为约束构件的功能由于低机械强度而受到影响，并且由于处理准确度的降低而在生产批次之间发生振子的机械振动特征的变化。
用于产生声波的机制使用通过向压电元件130施加电场而发生的膨胀和收缩运动。另外，超声波的频率局限于20 kHz或更多。由于压电元件130具有高机械质量系数Q，所以能量集中在基本谐振频率的附近区域上。由于这个原因，虽然可以在基本谐振频率频带中获得高声压级，但是声压在其他频率频带中衰减。
由于实施例的电声换能器100使局限于特定频率的超声波振荡，所以电声换能器100因为压电元件130的机械质量系数Q是高的特征而具有相当的优势。另外，由于压电振子的基本谐振频率受到压电元件130的形状的影响，所以当在例如超声波频带的高频频带中调整谐振频率时，电声换能器100具有小型化方面的优点。
同时，实施例的电声换能器100基于所谓的参数扬声器原理而执行声学再现，所谓的参数扬声器原理使被执行FM（调频）或AM（调幅）的超声波振荡，并使用空气的非线性状态（稀疏和密集状态）来将调制波解调以再现可听声音。在实施例的电声换能器100中，压电元件130具有局限于高频频带的振荡的配置，并且因此电声换能器100的小型化是可能的。
根据上述配置，在具有该配置的压电电声换能器100中，不同于一般双形态结构，位于弹性构件120的两个表面上的压电元件130的主表面的中心位置相互不同。换言之，当在平面图中看时，位于弹性构件120的一个表面上的第一压电元件130的主表面的中心位置与位于另一表面上的第二压电元件130的侧表面重叠，并且当在平面图中看时，第二压电元件130的中心位置与第一压电元件130的侧表面重叠。
同样地，两个压电元件130被不对称地设置在电声换能器100的上侧和下侧上。相应地，失去了振动表面中的均匀性和周期性，并且因此可以防止振动的退化（degeneracy）。因此，可以产生多个振动模式。
另外，通过此类布置，在其中正常相位和反向相位相互重叠的分割振动期间，可以防止反向相位的振动。换言之，可以防止由于局部反向相位的振动而引起的声波的产生。由于这个原因，防止了由于正常相位的振动而引起的声波与由于反向相位的振动而引起的声波之间的相互抵消。因此，改进电声换能器100的声压级是可能的。
一般地，形成反向相位的振动模式，其集中于电声换能器100上。在实施例的电声换能器100中，多个压电元件130的中心是不同的。在该情况下，电声换能器100的中心部分的刚性增加。因此，防止反向相位的振动增加是可能的。
另外，实施例的电声换能器100的操作原理使用在电场被施加于压电元件130时发生的膨胀和收缩运动。用于振荡的频率优选地被设置成20 kHz或更多的超声波频带。通过将振荡频率设置成超声波频带，可以减小压电元件130的大小，并且可以使用超声波的直线性来控制方向性。作为其应用示例，还可以在通过超声波来传送音频信号并在空中将音频信号解调的参数扬声器中使用本发明。
图2是图示出作为根据本发明的修改示例的振荡器设备的电声换能器200的结构的示意性垂直横截面前视图。
本发明不限于本实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下允许其各种修改。例如，在以上实施例中，已经举例说明了其中弹性构件120由金属形成的配置。然而，类似于作为图2中的振荡器设备举例说明的电声换能器200，弹性构件120可以由树脂形成。在该情况下，弹性构件120由例如 100 GPa或以下的纵向弹性模量的聚合物材料形成。从多用性的观点出发，弹性构件120可以由例如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、氨基钾酸酯（urethane）、硅橡胶、天然橡胶或合成橡胶形成。
另外，弹性构件120的厚度优选地等于或超过5 µm且等于或小于1000 µm。当弹性构件120的厚度超过1000 µm时，存在问题，即由于刚性的增加而引起的压电元件130上的约束增加，以从而引起振动位移的量的衰减。
另外，优选的是本实施例的弹性构件120具有纵向弹性模量，其是指示材料的刚性的指数，等于或超过1 GPa且等于或小于500 GPa。当弹性构件120的刚性过低或过高时，存在问题，即作为机械振子的特性和可靠性被损坏。
同时，在电声换能器200中，由富于柔性的树脂形成的弹性构件120组成应力在振动期间集中于其上的振动表面的末端。换言之，由于掉落时的冲击能量可以被由树脂形成的弹性构件120吸收，所以可以改进掉落强度。
另外，在电声换能器200中，支撑框架110与压电元件130之间的末端由弹性构件120的树脂组成。换言之，由于富于柔性的树脂形成的弹性构件120位于振动的末端处，所以末端的可移动范围加宽。在该情况下，振动模式变得更接近于活塞形状，并且振动期间的体积排除的量增加。由于声压级取决于振动期间的到空中的体积排除的量，所以实现具有该配置的电声换能器200中的有利特征是可能的。
图3是图示出作为根据另一修改示例的振荡器设备的电声换能器300的结构的示意性垂直横截面前视图。
在以上实施例中，已经举例说明了其中压电元件130分别被设置在弹性构件120的两个表面上的配置。然而，类似于图3中所示的电声换能器300，可以将多个压电元件130设置在弹性构件120的一个表面或两个表面上。
如图3中所示，电声换能器300包括设置在弹性构件120的一个表面上的第一压电元件130和第三压电元件130，以及设置在弹性构件120的另一表面上的第二压电元件130。第一压电元件130和第三压电元件130的主表面的中心位置不同于第二压电元件130的主表面的中心位置。
甚至在修改示例中，也可以获得与根据上述实施例的电声换能器100相同的效果。
另外，在以上实施例中，已经采取其中作为振荡驱动单元的驱动电路140被连接到电声换能器100的电子装置。然而，还可能实现诸如声纳的电子装置（未示出），其包括电声换能器100、使得电声换能器100输出超声波的振荡驱动单元、用于检测从电声换能器100振荡并被待测量对象反射的超声波的超声波检测单元以及基于所检测的超声波来测量到待测量对象的距离的距离测量单元。
同时，理所当然的是，在其内容并不相互冲突的范围内可以将上述实施例和上述修改示例组合。另外，在上述实施例和上述修改示例中，已详细地描述了每个部件的结构等，但在满足本发明的范围内可以以各种方式来改变该结构等。
本申请要求基于2010年12月20日提交的日本专利申请号2010-282666的优先权，其内容被通过引用结合到本文中。
Claims (7)
1.一种振荡器设备，包括：
框架状支撑框架；
扁平弹性构件，其被支撑框架中的外围部分支撑；以及
至少两个压电元件，所述至少两个压电元件位于弹性构件的两个表面上并且通过电场的施加膨胀和收缩地移动，
其中弹性构件的两个表面中的每一个具有设置在其上的压电元件中的至少一个，
其中，位于弹性构件的两个表面上的压电元件的主表面的中心位置彼此不同，
其中，当在平面图中看时，位于弹性构件的一个表面上的第一压电元件的主表面的中心与位于弹性构件的另一表面上的第二压电元件的侧表面重叠，以及
其中，当在平面图中看时，第二压电元件的中心与第一压电元件的侧表面重叠。
2.根据权利要求1所述的振荡器设备，其中，多个压电元件被相互平行地设置在弹性构件的一个表面上。
3.根据权利要求1至2中的任一项所述的振荡器设备，其中，所述弹性构件由金属形成。
4.根据权利要求1至2中的任一项所述的振荡器设备，其中，所述弹性构件由树脂形成。
5.根据权利要求1至2中的任一项所述的振荡器设备，其中，压电元件以20 kHz或更多的超声波频带的频率振荡。
6.一种电子装置，包括：
根据权利要求1至5中的任一项所述的振荡器设备；以及
振荡驱动单元，使得振荡器设备输出被解调成可听区的声波的超声波。
7.一种电子装置，包括：
根据权利要求1至5中的任一项所述的振荡器设备；
振荡驱动单元，使得振荡器设备输出超声波；
超声波检测单元，检测从振荡器设备振荡并被待测量对象反射的超声波；以及
距离测量单元，基于所检测的超声波来测量到待测量对象的距离。
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