CN103428622A - 具有载重的压电式扬声器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有载重的压电式扬声器，通过在压电式扬声器的声学振膜上或在压电式扬声器的声学振膜上和下方设置柔性材料的载重，能使压电式扬声器的频率响应特性均匀，因此改善声音的平滑度。具有载重的压电式扬声器包括：压电装置，具有压电层和形成在压电层上或在压电层上和下方以给压电层施加电信号的电极；声学振膜，其面积宽于压电装置，且接合在压电装置的一个表面上；框架，以围绕声学振膜的侧表面的形式设置；以及载重，设置在声学振膜上方或声学振膜上方和下方，声学振膜上设置有压电装置，以因此控制振动。
Description
技术领域
本公开涉及具有载重的压电式扬声器及其制造方法，更具体涉及具有载重的压电式扬声器，该压电式扬声器通过在压电式扬声器的声学振膜上或声学振膜上和下方设置柔性材料的载重而使压电扬声器的频率响应特性均匀，以及该压电扬声器的制造方法。
背景技术
当前，除了诸如移动电话、智能手机、写字板个人计算机（PC）等的便携式终端之外，有机发光二极管（OLED）电视机（TV）等的超薄化已经成为趋势。因此，能够克服采用磁性线圈的现有动圈式扬声器的厚度限制的压电式扬声器成为关注亮点。与现有动圈式扬声器相比，压电式扬声器的优点在于薄、轻、能耗低。因此，压电式扬声器被积极开发作为能取代现有动圈式扬声器的未来扬声器。
与现有的动圈式扬声器不同，压电式扬声器不使用磁性线圈，而是根据压电薄膜自身的主动应用共振的原理驱动。就是说，由于当交流（AC）信号输入到压电薄膜时压电薄膜发生收缩和膨胀，因此振膜发生位移，并且基于根据频率的模态位移特性在空气中形成膨胀波（dilatational wave）而重放声音。根据以上原理，压电式扬声器被驱动。因此，压电式扬声器包括频率响应特性的多个共振模态，因此其缺点在于易发生峰下沉（peak-dip）或隆起凹陷（hump-hollow）。就是说，由于以上的频率响应特性的峰下沉，压电式扬声器的输出变得不稳定，声音容易失真，从而降低了声音重放的质量。
作为改善压电式扬声器的上述声音质量问题的传统方法，提出了在振膜的两个表面上分别接合具有不同共振频率的压电装置的方法（韩国专利申请第10-2010-0027915号）、通过在压电薄膜的中心上设置振动调整部分来增加压电体质量的方法（韩国专利申请第10-2000-0032846号和美国专利申请第12/023,496号）等。然而，传统的方法通过降低共振频率调整振幅，因此通常改善低音域中的峰-下沉。
发明内容
本公开力争提供一种压电式扬声器及其制造方法，该压电式扬声器通过在压电式扬声器的声学振膜上或声学振膜上和下方设置柔性材料的载重，改善频率响应特性的峰下沉现象且具有均匀的声音质量。
本公开的示范性实施例提供一种具有载重的压电式扬声器，包括：压电装置，具有至少一个压电层和形成在压电层上或压电层上和下方以给压电层施加电信号的电极；声学振膜，具有比压电装置宽的面积且接合在压电装置的一个表面上；框架，以围绕声学振膜的侧表面的形式设置；以及载重，设置在其上设置有压电装置的声学振膜上方或者声学振膜上方和下方，从而控制振动。
本公开的另一示范性实施例提供一种具有载重的压电式扬声器的制造方法，该方法包括：压电装置接合步骤，采用高弹性阻尼材料在声学振膜上接合压电装置；上部载重设置步骤，在其上接合有压电装置的声学振膜上方沿着声学振膜的中心在声学振膜的长轴方向上设置柔性材料的上部载重；以及框架沉积步骤，以围绕声学振膜的侧表面的形式设置框架。
根据本公开的示范性实施例，通过在压电式扬声器的声学振膜上或下方设置柔性材料的载重，能够控制压电式扬声器的共振模态中的振幅。因此，能够改善频率响应特性的峰下沉现象，并且通过提高声音平滑度而改善声音质量。
根据本公开的示范性实施例，通过由于在压电式扬声器上或下方设置柔性材料的载重而增加压电膜的质量，能够降低扬声器的初始共振频率。因此，频带变宽，从而能够重放充足的输出。
前面的发明内容仅为示例性的，而不旨在任何形式的限制。除了上面描述的示例性的方面、实施例和特征外，另外的方面、实施例和特征将通过参考附图和下面的详细描述变得明晰。
附图说明
图1是根据现有技术的压电式扬声器的截面图。
图2和3分别是示出根据现有技术的压电式扬声器的频率响应特性和下沉频率上的（3，3）模态形状的图示。
图4和5是根据本公开第一和第二示范性实施例的压电式扬声器的截面图。
图6是根据本公开第一示范性实施例的压电式扬声器的分解透视图。
图7是根据本公开第二示范性实施例的压电式扬声器的分解透视图。
图8是根据本公开第三示范性实施例的压电式扬声器的截面图。
图9是示出根据本公开示范性实施例的压电式扬声器的频率响应特性的图示。
图10是根据本公开第四示范性实施例的压电式扬声器的截面图。
图11是根据本公开第五示范性实施例的压电式扬声器的截面图。
图12是以保护盖和壳封装的根据本公开第四示范性实施例的压电式扬声器的截面图，该保护盖具有多个音孔。
图13是描述根据本公开的示范性实施例的具有载重的压电式扬声器的制造方法的流程图。
具体实施方式
在下面的具体描述中，参考附图，附图形成描述的一部分。具体描述、附图和权利要求中描述的示例性实施例不旨在是限制性的。在不脱离这里所述的主题的精神或范围的情况下，也可采用其它的实施例，且也可进行其它的改变。
图1是根据现有技术的压电式扬声器的截面图，而图2和3分别示出了根据现有技术的压电式扬声器的频率响应特性和下沉频率上的（3，3）模态形状。
参见图1，压电式扬声器包括压电装置100、声学振膜110、高弹性阻尼材料层140和框架120等，压电装置100具有用于驱动扬声器的压电层102以及形成在压电层102上或者在压电层102上和下方的电极101和103，声学振膜110接合到压电装置100，高弹性阻尼材料层140接合压电装置100和声学振膜110，框架120设置为围绕声学振膜110的侧表面的形式。
上述压电式扬声器主动采用压电层102和声学振膜110的共振模态，并因此频繁发生如图2和3所示的频率响应特性的峰下沉（peak-dip）。上述的峰下沉现象使得压电式扬声器的输出特性不稳定且声音质量劣化。
提出本公开以通过窄化输出声压偏差使得压电式扬声器能够具有均匀的频率响应特性以及改善压电式扬声器的上述峰下沉。
图2的压电式扬声器的峰下沉基于奇数模态和偶数模态且被实验分析。具体地，证实了压电式扬声器的播放频带上的最大下沉发生在（3，3）模态中。
参见图3，在（3，3）模态中，能够预测的是，当根据压电式扬声器的振动的位移交替进入声学振膜302的上方向或下方向时，将发生分振动（divisional vibration）。因此，通过在声学振膜302的分振动中扭曲的声学振膜302上和下方进一步提供支撑体301从而增加声学振膜302的刚性，能够控制位移并因此改善峰下沉。就是说，通过在其中发生压电式扬声器的高次模态（high-order mode）中扭曲的声学振膜302的分振动的部分上设置柔性材料的载重，能够改善峰下沉现象，从而控制位移。
参见图4和5，根据本公开的第一示范性实施例和第二示范性实施例具有载重的压电式扬声器包括压电装置400或500、声学振膜410或510、高弹性阻尼材料层440或540、框架420或520和载重460或560等，压电装置400或500具有至少一个压电层402或502和形成在压电层402或502上或形成在压电层402或502上和下方的用以施加电信号到压电层402或502的电极401和403或501和503，声学振膜410或510具有比压电装置400或500宽的面积且接合在压电装置400或500的一个表面上，高弹性阻尼材料层440或540连接压电装置400或500与声学振膜410或510，框架420或520以围绕声学振膜410或510的侧表面的形式设置，高弹性粘合剂450或550接合声学振膜410或510与框架420或520，载重460或560设置在声学振膜上方或者声学振膜410或510的上方和下方，从而控制共振模态的振幅。
这里，压电层402或502将施加的电信号转换成振动，并且将转换的振动传送到声学振膜410或510，从而在空气中形成膨胀波进而输出声音。
压电层402或502是通过对厚膜形式的压电陶瓷施加研磨工艺形成的单层薄膜。可替换地，压电层402或502包括层叠（layered）压电陶瓷等，其中压电材料采用诸如涂覆、丝网印刷等的方法层叠。
压电层402或502可包括诸如PZT的多晶陶瓷、诸如PMN-PT、PZN-PT、PIN-PT和PYN-PT的单晶压电材料、诸如PVDF和PVDF-TrFE的柔性压电聚合物材料、诸如BNT（BaNiTiO3）和BZT-BCT的新型无铅压电材料等。压电层402或502可具有多种形状，诸如，矩形形状、圆形形状、椭圆形状和多边形形状等。
电极401和403或501和503形成在压电层402或502上或在压电层402或502上和下方以电性敞开（electrically open）压电层402或502的两侧表面，从而施加电信号到压电层402或502。在形成上电极和下电极的情况下，通过将压电层的下电极连接到预定的上部区域，能够在压电层上形成阳极和阴极。在本公开中，交指型电极（interdigitate eletrode）可用于电极401和403或501和503。
声学振膜410或510可采用至少一种材料构造，并且可构造为负责低音域特性的柔性振膜材料和负责高音域的刚性振膜材料的异质接合复合振膜（hetero-junction composite diaphragm）。柔性振膜包括杨氏模数低且振动吸收率高的橡胶、硅树脂（silicone）、聚氨酯等。刚性振膜可包括杨氏模数高的塑性、金属、金属碳纳米管（CNT）、石墨烯等，并且构造为比柔性振膜的厚度薄。声学振膜410或510可构造为柔性振膜和刚性振膜之一，或者可构造为柔性振膜和刚性振膜的异质接合复合振膜。声学振膜410或510可由单元结构纳米复合材料形成，该单元结构纳米复合材料通过合成诸如橡胶和聚氨酯等的聚合体与诸如CNT和石墨烯等的纳米结构材料而形成。
声学振膜410和510采用高弹性阻尼材料层440或540安装到压电层402或502。高弹性阻尼材料层440或540可包括硅环氧（silicon epoxy）、热塑性树脂等。
框架420或520采用高弹性粘合剂450或550设置为围绕声学振膜410或510的侧表面。为了最小化声学振膜410或510振动时由于内部损耗引起的抵抗振动，框架420或520可包括塑料或铝，包括聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚醛（POM）和聚碳酸酯（PC）等，或者框架420或520可包括金属或合金，包括不锈钢。框架420或520可制造为厚度小于或等于1mm，以便防止尺寸不必要的增加。
为了压电式扬声器的均匀的频率响应特性和声音质量的改善，用于控制振动的载重460或560设置在声学振膜上方或在声学振膜410或510上方和下方，用以改善根据声学振膜410或510的分振动的振动扭曲。载重460或560由控制振动的相互交叉位移的柔性材料形成。柔性材料包括硅树脂、橡胶、乙烯树脂、聚氨酯等。
载重460或560由柔性材料形成以赋予声学振膜410或510大的刚性，因此载重460或560需要由不会导致共振频率的移动的足够柔性的材料形成。载重460或560可具有环氧或泡沫的形式。当载重460或560为环氧或泡沫形式时，载重460或560被直接涂覆和硬化。当载重460或560不为环氧或泡沫形式时，可采用利用高弹性环氧设置载重460或560的方法。
参见图4和5，根据本公开示范性实施例的载重460或560可在平行方向上设置在声学振膜410或510的上部中心以及左下侧和右下侧，或者可设置在其上部中心上。在要其上设置载重460或560的方向的情况下，载重460或560可设置在压电式扬声器的声学振膜410或510的长轴方向上。设置在声学振膜410或510上方的载重460或560可具有大于或等于声学振膜410或510的短轴长度的1/4的宽度和短于声学振膜410或510的长轴长度的长度，使得载重460或560可仅控制振动，而不显著地影响声学振膜410或510的刚度。
作为防止扭曲的声学振膜410的振动的有效方法，设置在声学振膜410的下边缘上的载重470可在与上部载重460平行的方向上设置在声学振膜410的左下侧和右下侧的每一个上。通常，设置在声学振膜410的背表面上的载重470可设置为与上部载重的位置不交叠。希望的是，通过将声学振膜410的短轴长度分成三等分，上部载重460可设置在中心部分的位置，而下部载重470可设置在左侧和右侧每一侧的位置。上部载重460和下部载重470的每一个的宽度都可为声学振膜410的短轴长度的约1/4。
如图5所示，载重560可仅设置在声学振膜510的上部中心，而不设置在声学振膜510下方。
如图4和5所示，载重460或560的形状不限于矩形形状，因此载重460或560也可提供为类似于椭圆的形状或多边形形状。
根据本公开的示范性实施例的载重是为了改善关于压电式扬声器的频率响应特性的最大下沉。然而，根据本公开的示范性实施例，为了不仅限于用以控制（3，3）模态中的振动的载重的构造而基于压电式扬声器的尺寸改善所需下沉，可应用用以控制诸如二次模态或至少四次模态的高次模态的载重的构造。
图6和7分别为根据本公开第一示范性实施例和第二示范性实施例的压电式扬声器的分解透视图。通过前述描述可说明根据本公开的压电式扬声器中组装上述部件和设置载重的方法。
在图6中，压电式扬声器的压电层402和声学振膜410设置成对称结构。在图7中，压电式扬声器的压电层502和声学振膜510设置成倾斜结构或不对称结构。
图7所示的压电层502可以以倾斜结构或预定的不对称结构形成在声学振膜510上以避免结构对称。具体而言，压电层502可形成为相对于声学振膜510成45<α<90度的角度。具有60至75度角的倾斜结构可为最理想的。就是说，压电层502具有倾斜结构，使得框架520的四个顶点上的压力可为均匀的，同时避免压电式扬声器的上、下、左、右的结构对称。以上的倾斜结构防止发生在压电层502中的机械振动通过压电式扬声器的框架520形成驻波，从而减少声音失真并改善声音质量。
图8是根据本公开第三示范性实施例的压电式扬声器的截面图。
参见图8，根据本公开示范性实施例的声学振膜具有异质接合复合振膜的构造，并且包括负责压电式扬声器的低音域的柔性声学振膜812以及负责压电式扬声器的高音域和中音域的刚性声学振膜814。柔性声学振膜812构造为具有比刚性声学振膜814宽的面积，并且固定到框架820。就是说，声学振膜的外边缘构造为沿着框架820的柔性声学振膜812，从而补偿压电式扬声器的低音域。因此，载重860可仅设置在刚性声学振膜814位于其中的区域内。通过包括载重860和台阶的异质接合复合振膜的构造，能够增强压电式扬声器的声音质量和低音域。
图9是示出根据本公开示范性实施例的压电式扬声器的频率响应特性的图示。
参见图9可知，压电式扬声器的（3，3）模态上的下沉通过用于控制振动的载重提高了10dB或更大。就是说，通过根据本公开示范性实施例的用于控制振动的载重，能够均匀地改善压电式扬声器的频率响应特性且改善声音质量。
图10是根据本公开第四示范性实施例的压电式扬声器的截面图。相比于根据本公开第三示范性实施例的声学振膜，在根据第四示范性实施例的压电式扬声器中，预定图案的褶皱形状1080形成在柔性声学振膜1012上。在包括柔性声学振膜1012和刚性声学振膜1014的异质接合复合振膜中，柔性声学振膜1012的褶皱形状1080可增加负责低音域的柔性声学振膜1012的柔性，并且因此进一步改善低频上的重放特性。因此，根据本公开第四示范性实施例的压电式扬声器在结构上设计为通过具有褶皱结构的柔性声学振膜1012和载重1060进一步显著改善低音域特性和声音质量特性。
图11是根据本公开第五示范性实施例的压电式扬声器的截面图。具体而言，在压电式扬声器的异质接合复合声学振膜中，不是在整个表面上设置刚性声学振膜1114和柔性声学振膜1112，而是将柔性声学振膜1112构造为仅设置在沿着框架1120的内边缘的预定区域中。声学振膜的重放高音域的中心部分仅采用刚性声学振膜1114构造，从而以更大的位移振动且显著改善输出特性。构造为沿着框架1120的内边缘的预定区域的柔性声学振膜1112构造成向上弯曲的形式，从而用于加强压电式扬声器的前部上的输出特性且防止失真。因此，根据本公开的第五示范性实施例，通过包括柔性声学振膜1112和刚性声学振膜1114的声学振膜和用于控制振动的载重1160的构造，能够改善压电式扬声器的输出声压特性且防止振膜的扭曲，从而实现均匀且优良的声音质量。
图12是以具有多个音孔和壳的保护盖封装的根据本公开第四示范性实施例的压电式扬声器的截面图。
参见图12，压电式扬声器以壳1220和保护盖1290封装，壳1220阻挡来自声学振膜的背后的声音辐射，保护盖1290保护压电式扬声器。设置为距离压电式扬声器的前部预定间隔的保护盖1290与设置在后部的的壳1220被组装，由此完全封装压电式扬声器。多个音孔1295形成在保护盖1290的前表面中。形成在保护盖1290的前表面中的多个音孔1295可设置成使压电式扬声器的声音辐射特性不失真的多种形状。分别为圆形、椭圆形、多边形和新月形的多个音孔1295可设置成矩阵形式。
附加地，保护多个音孔1295的毛毡（felt）（未示出）可设置在保护盖1290上。
图13是描述根据本公开的示范性实施例的具有载重的压电式扬声器的制造方法的流程图。
在根据本公开的示范性实施例的具有载重的压电式扬声器的制造方法中，压电装置首先通过在压电层上或压电层上和下方层叠电极而形成（S100）。
这里，压电层是通过对厚膜形式的压电陶瓷施加研磨工艺而形成的单层薄膜。可替换地，压电层包括层叠压电陶瓷等，层叠压电陶瓷中压电材料采用诸如涂覆、丝网印刷等的方法层叠。
压电层可具有多种形状，诸如，矩形形状、圆形形状、椭圆形状、多边形形状等。
接下来，采用高弹性阻尼材料将压电装置接合在声学振膜上（S200）。
接下来，在其上接合有压电装置的声学振膜上方设置柔性材料的载重（S300）。
载重设置在声学振膜上方或者在声学振膜上方和下方。在声学振膜上方设置载重的情况下，上部载重沿着声学振膜的中心设置在声学振膜的长轴方向上。在声学振膜下方设置载重的情况下，下部载重设置为与上部载重不交叠，并且设置为在声学振膜的左下侧和右下侧平行。
上部载重和下部载重的宽度大于或等于声学振膜的短轴长度的1/4，并且其长度短于声学振膜的长轴长度。
为了改善根据声学振膜的分振动的振动扭曲，载重由控制振动的相互交叉位移的柔性材料形成。柔性材料包括硅树脂、橡胶、乙烯树脂、聚氨酯等。
最后，框架以围绕声学振膜的侧表面的形式形成（S400）。
由前述，可理解为了示例的目的本公开的各种实施例已经在此进行了描述，并且在不偏离本公开范围和精神的情况下可进行各种变型。因此，这里公开的各种实施例不旨在是限制性的，真实的范围和精神由所附权利要求表述。
本申请基于且要求2012年5月14日提交韩国知识产权局的韩国专利申请第10-2012-0050738号和2012年6月12日提交的韩国专利申请第10-2012-0062662号的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
Claims (20)
1.一种具有载重的压电式扬声器，包括：
压电装置，具有压电层和电极，该电极形成在该压电层上或在该压电层上和下方，以给该压电层施加电信号；
声学振膜，具有宽于该压电装置的面积且接合在该压电装置的一个表面上；
框架，以围绕该声学振膜的侧表面的形式设置；以及
载重，设置在其上设置有该压电装置的该声学振膜上方或者该声学振膜上方和下方，从而控制振动。
2.如权利要求1所述的压电式扬声器，其中，设置在其上设置有该压电装置的该声学振膜上方的上部载重沿着该声学振膜的中心设置在该声学振膜的长轴方向上。
3.如权利要求2所述的压电式扬声器，其中，设置在其上设置有该压电装置的该声学振膜下方的下部载重设置为在该声学振膜的左下侧和右下侧上平行。
4.如权利要求1所述的压电式扬声器，其中，该载重的宽度大于或等于该声学振膜的短轴长度的1/4，并且该载重的长度短于该声学振膜的长轴长度。
5.如权利要求1所述的压电式扬声器，其中，该压电层的材料包括PZT、PMN-PT、PZN-PT、PIN-PT、PYN-PT、PVDF、PVDF-TrFE、BNT（BaNiTiO3）和BZT-BCT中的任何一种。
6.如权利要求1所述的压电式扬声器，其中，该压电层以倾斜结构或不对称结构设置在该声学振膜上，以防止形成驻波。
7.如权利要求1所述的压电式扬声器，其中，该声学振膜形成为采用纳米复合材料形成的单元结构或异质接合复合结构。
8.如权利要求7所述的压电式扬声器，其中，该异质接合复合结构是其中第一声学振膜和第二声学振膜接合的结构，该第一声学振膜是柔性声学振膜，该第二声学振膜是刚性声学振膜，并且该第一声学振膜的杨氏模数低于该第二声学振膜。
9.如权利要求8所述的压电式扬声器，其中，该第一声学振膜包括橡胶、硅树脂和聚氨酯中的任何一种。
10.如权利要求8所述的压电式扬声器，其中，该第二声学振膜包括塑料、金属、碳纳米管和石墨烯中的任何一种。
11.如权利要求7所述的压电式扬声器，其中，该纳米复合材料通过合成聚合体和包括碳纳米管或石墨烯的纳米结构材料而形成。
12.如权利要求8所述的压电式扬声器，其中，该第一声学振膜和该第二声学振膜采用接合、涂覆和沉积之一形成。
13.如权利要求8所述的压电式扬声器，其中，该第一声学振膜具有相比于该第二声学振膜的相对宽的面积且固定到该框架，并且该第二声学振膜与该框架间隔开。
14.如权利要求13所述的压电式扬声器，其中，褶皱形成在该第一声学振膜的其中没有该第二声学振膜的预定区域中，从而增加柔性。
15.如权利要求8所述的压电式扬声器，其中，该第二声学振膜与该框架间隔开且位于该声学振膜的中心，并且该第一声学振膜设置在该框架与该第二声学振膜之间且设置成朝着该压电式扬声器的前部弯曲的曲线形状。
16.如权利要求1所述的压电式扬声器，其中，该框架构造为阻挡来自该声学振膜的背后的声音辐射的壳形式，并且该框架与该声学振膜的底表面间隔开，从而形成预定间隔。
17.如权利要求16所述的压电式扬声器，还包括：
保护盖，容纳该压电式扬声器的前表面且具有形成在该保护盖的前表面中的多个音孔。
18.一种具有载重的压电式扬声器的制造方法，该方法包括：
压电装置接合步骤，采用高弹性阻尼材料在声学振膜上接合压电装置；
上部载重设置步骤，在其上接合有该压电装置的该声学振膜上方沿着该声学振膜的中心在该声学振膜的长轴方向上设置柔性材料的上部载重；以及
框架设置步骤，以围绕该声学振膜的侧表面的形式设置框架。
19.如权利要求18所述的方法，还包括：
在该上部载重设置步骤之后的在该声学振膜下方设置下部载重的下部载重设置步骤，
其中该下部载重设置为与该上部载重不交叠，并且设置为在该声学振膜的左下侧和右下侧上平行。
20.如权利要求19所述的方法，其中，该上部载重和该下部载重形成为使其宽度大于或等于该声学振膜的短轴长度的1/4，并且其长度短于该声学振膜的长轴长度。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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