CN1627864B - 声振动发生元件 - Google Patents

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Abstract

一种声振动发生元件，由柔性材料制成的覆盖件在垂直于双压电晶片元件或单压电晶片元件的厚度方向上覆盖其至少两个表面。覆盖件具有多个V形槽以提高所产生的振动力。可以选择，在覆盖件临近一侧的表面处具有气室以避免声音泄露。此外，用柔性材料可以整体形成覆盖件和耳钩以得到适用于骨传导扬声器的重量轻的声振动发生元件。

Description

声振动发生元件
本发明要求日本专利申请JP2003-414064的优先权，其公开的内容结合在此供参考。
技术领域
本发明涉及声振动发生元件。具体而言，本发明适用于骨传导装置(如骨传导扬声器)，其用于将声音电信号转换为将要被传输到人体一部分(如颅骨或手臂)的声振动，从而通过听觉神经感知声音。
背景技术
迄今为止，骨传导装置的机电转换器主要是电磁型的。电磁型机电转换器应用与电动扬声器相同的原理，并将流过线圈的电流和磁铁之间的相互作用产生的驱动力转换成机械振动。例如，日本专利(JP-B)2967777号(对应于美国专利6141427号)和3358086(对应于美国专利6668065号)中公开了这种类型的机电转换器。
但是，电磁型机电转换器具有以下的缺点：电磁型机电转换器产生一个电磁力并因此需要电流。当电流流过线圈时，线圈的电阻会不可避免地产生能量损耗。因此，电源提供的大部分能量作为焦耳热量消耗在线圈上，而只有1％的能量用作声能。此外，在低频区域，由于阻抗低所以电流会过高，从而使电源的负荷增加。结果，声音输出电平不可避免地限制在低频区域。这样，在低频区域，声音输出电平不足。
另一方面，提出了一种应用压电元件的骨传导装置的转换器，即骨传导转换器，虽然其应用还很少。应用压电元件的骨传导转换器包括作为声振动发生元件的单压电晶片元件，其通常被用作压电发声器。单压电晶片元件包括金属板和粘合在其上的压电板。在日本专利申请公开(JP-A)S59-140796和S59-178895中公开了这种类型的骨传导转换器。
但是，应用压电元件的骨传导转换器有以下的缺点：具体而言，如果骨传导转换器具有一个实际尺寸，则应用压电元件的骨传导转换器具有1kHz或更高的谐振频率。因此，在低于谐振频率的低频区域的再现不充分。此外，由于振动系统的机械品质因数Q很高，在特定频率上振动的产生被加强或削弱。在这种情况下，不能自然且正常地执行声音再现。
在骨传导装置的一个例子中，也提供了一种用于听力未受损者而非听力受损者的骨传导扬声器。这种类型的骨传导扬声器需要避免再现的声音泄露到使用者以外的其他物体。但是，利用已知结构的骨传导扬声器，振源的振动会传播到结构件。结果，结构件的振动作为再现的声音传播到外界。
在压电元件的骨传导应用中，如果认为低频区域是重要的，则压电元件的谐振频率必须尽可能地低。为了降低压电元件的谐振频率，提出了以下的技术A到C：
A.增加压电元件的直径或长度，该直径和长度确定了振动模式。
B.降低压电元件的弯曲模量K。
C.增加振动波腹的质量(mass)。
但是，如果具有压电元件的物体是一个便携式装置如移动电话，并因此压电元件的尺寸受到限制，则技术A有局限性。
技术B是通过降低作为单压电晶片元件的压电陶瓷片的厚度，并通过降低插入作为单压电晶片元件的两个压电陶瓷片之间的金属板(垫板)来实现的。但是，在该技术中，压电元件的机械强度降低了。此外，压电元件本身的重量减小使得谐振频率增加了。因此，没有获得实质的效果。作为选择，通过选择一种具有小弹性模数的有机材料作为垫板，可以在一定程度上降低弯曲模数K。但是，有机材料的比重通常很小，使得压电元件的总重量降低了。因此，谐振频率也会增加。
增加质量的技术C的缺点在于机械强度会因不当的振动而削弱。
在如上所述应用压电元件的骨传导转换器中，机械振动是由电压引起的压电变形驱动的。因此，压电转换器不会伴随有上述电磁型机电转换器中的线圈产生的焦耳热损耗。因此可以节约能量。此外，由于不需要金属部件(如磁铁和轭)，可以实现重量轻和型面薄。因此，压电转换器具有很多优点。为了充分获得这些优点，压电转换器需要克服如高谐振频率和高机械品质因数Q的缺点。
另一方面，不管是电磁型或压电型，为了使骨传导扬声器能实际应用的一个不可避免的问题是避免声音泄露到外界。为了进一步呈现压电转换器的特性，输入驱动电压优选被抑制到尽可能低。在这种情况下，与压电转换器组合的驱动电路的能量消耗可被有利地抑制。
此外，骨传导扬声器在使用时通常被附着在人体的头部。因此，使用者希望骨传导装置的重量轻并且易于佩带。
发明内容
因此，本发明的目的是提供低谐振频率、低机械品质因数Q和抑制骨传导装置中的声音泄露，具体为提供一种骨传导扬声器。
根据本发明的骨传导声振动发生元件包括双压电晶片元件或单压电晶片元件，以及由柔性材料制成的并在垂直于该双压电晶片元件或单压电晶片元件厚度方向覆盖至少两个表面的覆盖件或被覆层。
在根据本发明的骨传导声振动发生元件中，整个双压电晶片元件或单压电晶片元件可覆盖有覆盖件。
在根据本发明的骨传导声振动发生元件中，双压电晶片元件可具有包括压电陶瓷片和内电极的层压结构。
在根据本发明的骨传导声振动发生元件中，覆盖件的表面可具有多个槽。
在根据本发明的骨传导声振动发生元件中，覆盖件的一侧可形成有气室。
根据本发明的骨传导声振动发生元件可具有柔性材料制成的与覆盖件整体形成的耳钩。
附图说明
图1A是根据本发明的声振动发生元件的透视图，其中压电元件具有覆盖有柔性材料的相对表面；
图1B是根据本发明的另一个声振动发生元件的透视图，其中压电元件被柔性材料完全覆盖；
图2是图1A中的声振动发生元件的截面图，其中压电元件是双压电晶片元件；
图3是当作为覆盖件的硅橡胶厚度变化时，图2中的声振动发生元件的谐振频率变化的特性曲线；
图4是可用于本发明的层压结构的双压电晶片元件的透视图；
图5是根据本发明的第一个实施例的覆盖有柔性材料的声振动发生元件之间的人工内耳和没有覆盖柔性材料的声振动发生元件之间的人工内耳的加速度的比较结果的特性曲线；
图6是根据本发明的第二个实施例的覆盖有柔性材料的声振动发生元件之间的人工内耳和没有覆盖柔性材料的声振动发生元件之间的人工内耳的加速度的比较结果的特性曲线；
图7是根据本发明的第三个实施例的声振动发生元件的透视图，其中在柔性材料的表面形成V形槽；
图8是图7中的声振动发生元件之间的人工内耳和没有V型槽的声振动发生元件之间的人工内耳的加速度比较结果；
图9是根据本发明的第四个实施例的声振动发生元件的截面图，其中在柔性材料的一侧形成气室；
图10是根据本发明的第五个实施例的声振动发生元件，其中柔性材料的覆盖件和耳钩是整体形成的；以及
图11是当图10中的声振动发生元件附着在人耳上时的简图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明。
首先参考图1A、1B、2和3，其中详细显示了本发明的基本结构和原理。
参见图1A，根据本发明的声振动发生元件包括一个双压电晶片元件(或单压电晶片元件)1-1和附着在垂直于双压电晶片元件1-1厚度方向上的两个表面的一对覆盖件1-2。
参见图1B，根据本发明的另一个声振动发生元件包括完全覆盖有覆盖件1-2’的双压电晶片元件(或单压电晶片元件)。覆盖件1-2和1-2’由柔性材料制成。
参见图2，图1A中的声振动发生元件包括双压电晶片元件1-1和附着在其相对表面(即，垂直于双压电晶片元件1-1的厚度方向的两个表面)上的覆盖件1-2。双压电晶片元件1-1包括两个压电陶瓷片1-11和插入其间的垫板1-12。
参考图2描述本发明的原理。为了便于描述，假定双压电晶片元件1-1具有矩形的形状。双压电晶片元件1-1的谐振频率Fr根据支撑结构而不同。如果双压电晶片元件1-1的相对端是自由端，则谐振频率Fr通过以下的公式(1)给出。在公式(1)中，α是由振动模式确定的值并且在初始谐振时等于4.73。L表示双压电晶片元件1-1的长度，K是弯曲模量，ρS是每单元长度的重量。
F r = α 2 2 π L 2 K ρS - - - ( 1 )
声振动发生元件的弯曲模量K由各种因素确定，如形成双压电晶片元件1-1的压电陶瓷片1-11和垫板1-12以及覆盖件1-2的尺寸和材料确定。具体而言，弯曲模量K由每个压电陶瓷片1-11和垫板1-12的宽度w、每个压电陶瓷片1-11的厚度tc和弹性模量Ec、垫板1-12的厚度ts和弹性模量Es以及每个覆盖件1-1的厚度tp和弹性模量Ep来确定，并由以下的公式(2)给出：
K = 2 w 3 { E S t s 3 + E c ( 3 t s 2 t c + 3 t s t c 2 + t c 3 ) + E p ( 3 t s 2 t p + 6 t s t c t p + 3 t c 2 t p + 3 t s t p 2 + 3 t c t p 2 + t p 3 ) - - - ( 2 )
每单位长度的重量ρS由每个压电陶瓷片1-11、垫板1-12和覆盖件的厚度tc、2ts、和tp；比重ρc、ρs和ρp；以及双压电晶片元件1-1的宽度w来确定，并由以下的公式(3)给出：
ρS＝2w(ρptp+ρctc+ρsts)(3)
当作为新层的覆盖件1-2被增加到双压电晶片元件1-1的相对的表面时，弯曲模量K和每单位长度的重量ρS改变从而影响了谐振频率。根据所选择的作为覆盖件1-2的材料，声振动发生元件的谐振频率可变高。在大部分情况下，谐振频率被降低。具体而言，如果覆盖件由具有不大于预定值的弹性模量的柔性材料(如具有小弹性模量3×106到8×106Pa的橡胶)形成，则整个声振动发生元件的弯曲模量K可通过增加新层来提高。但是，与每单位长度的重量ρS的增加速率相比，弯曲模量K的增加速率很小。结果，降低了声振动发生元件的谐振频率。
图3所示为当硅橡胶作为柔性材料并且柔性材料的覆盖厚度变化时谐振频率的变化。根据图3，可以理解柔性材料具有减小谐振频率并同时减小机械品质因数Q，从而加宽频率范围的作用。考虑作为骨传导扬声器的声振动发生元件的声音输出。当声振动发生元件紧紧接触人体皮肤辐射声音能量时，这种覆盖有柔性材料的压电元件的结构适于声振动发生元件和人体皮肤之间的声阻抗匹配。具体而言，在双压电晶片元件被覆盖柔性材料的情况下，达到了抑制声音泄露(即，不必要的声音辐射到外界)的效果。
以上描述了声振动发生元件为矩形形状的情况。在此请注意，在使用圆形的双压电晶片或单压电晶片元件的情况下，也可以得到类似的效果。
以下结合几个优选实施例描述本发明。
第一实施例
[矩形形状的双压电晶片元件]
准备双压电晶片元件，其具有矩形形状并包括两个长度为32mm、宽度为8mm、厚度为0.15mm的压电陶瓷片(NEC Tokin生产的商品名为NEPEC10
Figure 04198275X_0
)，以及长度和宽度与压电陶瓷片相等、厚度为50μm的黄铜垫板。双压电晶片元件的结构为通过环氧粘合剂将垫板粘附在两个压电陶瓷片之间。在下文中，将上述结构称为单片结构。
另一方面，如图4所示，用以下的方式制成另一种双压电晶片元件：准备两套层压的压电陶瓷元件5-1。每个层压的压电陶瓷元件5-1包括三个压电陶瓷片5-11和插入到相邻的一个压电陶瓷片5-11之间的两个内电极5-12。每个压电陶瓷片都由与上述压电陶瓷片相同的材料制成，并具有与上述压电陶瓷片相同的长度和宽度以及50μm的厚度。在两套层压的压电陶瓷片5-1之间，通过内电极5-13插入金属垫板5-14。每个层压的压电陶瓷元件5-1都有一个具有外电极5-15的外表面。第一个内电极5-12经过侧表面电极5-16被连接到内电极5-13。第二个内电极5-12经过侧表面电极5-17被连接到外电极5-15。在下文中，上述结构被称为层压结构。
在单片结构的双压电晶片元件的情况下，通过电极将导线连接到垫板的外表面和在相对的最外侧表面上的压电陶瓷片，从而当以与极化方向相同的方向将电场施加到一个压电陶瓷片时，一个相反的电场就被施加到另一个压电陶瓷片上。类似地，在层压结构的双压电晶片元件的情况下，连接导线使得当以与极化方向相同的方向将电场施加到一个压电陶瓷片时，一个相反的电场就被施加到与其相邻的另一个压电陶瓷片上。
以下，通过应用黄铜模，作为柔性材料的硅橡胶被浇注到双压电晶片元件的整个表面上。经过硬化或硫化处理，生产单片结构和层压结构的声振动发生元件。每个声振动发生元件的垂直于厚度方向的两个表面上被提供有厚度为2mm的橡胶被覆层，在其余表面上提供厚度为1mm的被覆层。
当提供给单片结构的声振动发生元件18Vrms的声信号，并且声振动发生元件的一个表面压在使用者头部时，可听到由骨传导产生的清楚的声音。响应于相当于单片结构1/3的约6Vrms的输入，层压结构的声振动发生元件可产生相当电平的输出。
此外，为了评估声音泄露，在距离为50cm处的消声室中测量100Hz到10kHz的声压。结果，可得到在每个单片结构和层压结构中，声压电平不高于50dB。因此，声音泄露很小。
以下，为了量化确认柔性材料的声音效果，使用人工内耳(B&K公司生产的人工乳突型4930)测量并比较在覆盖柔性材料之前和之后对应于人体听觉神经处的加速度。注意到内耳中加速度的大小与听觉神经接收到的声音信号的强度成比例。
图5所示为人工内耳中的加速度(G)的比较结果。从图5中很明显可以看出，在声振动发生单元覆盖柔性材料的情况下，提高了低频区域中输出的加速度，并且谐振部分的尖峰相当缓和。
第二实施例
[圆形的双压电晶片元件]
准备双压电晶片元件，其具有圆形形状并包括两个直径为30mm、厚度为0.15mm的压电陶瓷片(NEC Tokin生产的商品名为NEPEC10
Figure 04198275X_1
)，以及直径与压电陶瓷片相等、厚度为50μm的黄铜垫板。双压电晶片元件的结构为通过环氧粘合剂将垫板粘附在两个压电陶瓷片之间。在下文中，将上述结构称为单片结构。
通过应用与上述压电陶瓷片相同的材料制成的并具有相同直径和厚度为50μm的压电陶瓷片，以与图4所示类似的方式可制备层压结构的圆形的双压电晶片元件。
以与第一实施例类似的方式执行线连接。
以下，通过应用黄铜模，硅橡胶被浇注到双压电晶片元件的整个表面上。经过硬化或硫化处理，生产单片结构和层压结构的声振动发生元件。每个声振动发生元件的垂直于厚度方向的相对表面上被提供有厚度为2mm的橡胶被覆层，在其余表面上提供厚度为1mm的被覆层。
单片结构的声振动发生元件和层压结构的声振动发生元件被分别提供以约18Vrms和约6Vrms的声信号。每个声振动发生元件的一个表面压在使用者的头部。结果，可听到经骨传导产生的清楚的声音。
此外，为了评估声音泄露，在距离为50cm处的消声室中测量100Hz到10kHz的声压。结果，可得到在每个单片结构和层压结构中，声压电平不高于50dB。因此，声音泄露很小。
以下，为了量化确认柔性材料的声音效果，使用人工内耳(B&K公司生产的人工乳突型4930)测量并比较在覆盖柔性材料之前和之后对应于人体听觉神经处的加速度。注意到内耳中加速度的大小与听觉神经接收到的声音信号的强度成比例。
图6所示为人工内耳中的加速度(G)的比较结果。从图6中很明显可以看出，在声振动发生单元覆盖柔性材料的情况下，也提高了低频区域中输出的加速度，并且谐振部分的尖峰相当缓和。降低谐振频率、减小机械品质因数Q和用柔性材料避免声音泄露的效果不仅可以通过模压作为柔性材料的硅橡胶来实现，也可以通过将柔性材料粘附在压电元件的一个表面来实现。
第三实施例
[表面具有V形槽的覆盖件]
在第一实施例的实验中准备的声振动发生元件经过机械加工，从而在柔性材料(实施例中的硅橡胶)的覆盖件的两个主表面上形成多个V形槽。每个V形槽具有0.6mm的深度，并在垂直于长度方向的方向上延伸。这样就制作出根据本发明第三实施例的声振动发生元件。
图7所示为根据第三实施例的声振动发生元件。双压电晶片元件1-1由覆盖件1-2′所覆盖。覆盖件1-2′的两个主表面上具有多个V形槽6-1。
图7所示的声振动发生元件以与以上实施例所述类似的方式利用人工内耳被测量。
图8所示为人工内耳中的加速度(G)的比较结果。从图8中很明显可以看出具有V形槽的声振动发生元件具有稍大于没有V形槽的声振动发生元件的加速度。这是因为V形槽的存在有利于弯曲和变形从而使弯曲模量K明显降低，导致所产生的力和输出电平的增加。此外，低频区域的输出电平增加了。这是与通过降低弯曲模量K所获得的效果类似的效果。具体而言，可以从公式(1)中理解，谐振频率Fr由于弯曲模量K的降低而减小。形成在覆盖件表面上的槽的形状不限于V形。利用半圆形横截面或其他任何适当形状的槽都可获得类似的效果。
第四实施例
[在一侧形成气室的覆盖件]
应用基于橡胶的粘合剂将与声振动发生元件直径相等的软橡胶圆环(外径30mm，内径25mm，厚度1mm)，以及相同材料的圆片(直径30mm，厚度1mm)连续粘接到第二实施例的实验中准备的声振动发生元件的一个表面。这样，就在声振动发生元件的一侧形成一个直径25mm和厚度1mm的气室。从而制作出本发明第四实施例的声振动发生元件。
图9所示为根据第四实施例的声振动发生元件。双压电晶片元件1-1由柔性材料的覆盖件1-2′所覆盖。在声振动发生元件的一侧形成气室8-1。一个输出表面，即没有气室8-1的声振动发生元件的另一侧被压在使用者的头部的一部分上，并提供声信号。由于具有气室8-1，降低了一侧开口表面的声音泄露。
在该实施例中，气室8-1用橡胶环和圆片形成。但是并不限于此，也可以其他任何方式形成气室，例如，与覆盖件整体形成。即使在模压处理中气室被连接到外界空气的结构中，也可以获得类似的效果。这一点很容易理解。上述效果不仅可以在圆形的双压电晶片元件中获得，并且也可以在与第一实施例类似的矩形形状的双压电晶片元件中获得。
第五实施例
[用柔性材料整体模压覆盖件和耳钩]
图10所示为包括在第一实施例的实验中制作的双压电晶片元件以及用覆盖硅橡胶整体模压的耳钩1-9和覆盖件的声振动发生元件。
图11所示为图10中的声振动发生元件附着在人耳1-10上的状态。如图11所示，声振动发生元件被附着在人耳1-10上。当施加电信号时，外耳的软骨和耳后的颅骨被同时激发，从而使骨传导的声音可以更清晰地被检测到。
在第一到第五实施例的每一个中都描述了双压电晶片元件整个覆盖由覆盖件的声振动发生元件。但是，在垂直于双压电晶片元件的厚度方向的至少两个表面覆盖有覆盖件的声振动发生元件中也可以获得类似的效果。当然，其也可以应用于单压电晶片元件。
如上所述，本发明提供了可降低谐振频率、减小机械品质因数Q并避免声音泄露的声振动发生元件。该声振动发生元件具有坚固且重量轻的结构，而且具有宽的频率范围。因此，根据本发明的声振动发生元件适用于骨传导装置，特别是骨传导扬声器。
虽然结合实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员可以在不偏离本发明的范围的情况下以各种其他方式来实施本发明。

Claims (12)

1.一种骨传导声振动发生元件，包括：
双压电晶片元件或单压电晶片元件，以及由柔性材料制成的并被附着到垂直于该双压电晶片元件或单压电晶片元件厚度方向的至少两个表面的覆盖件；其中，所述骨传导声振动发生元件的弯曲模量与每单位长度的重量的比率小于仅仅所述双压电晶片元件或单压电晶片元件的弯曲模量与每单位长度的重量的比率。
2.如权利要求1所述的骨传导声振动发生元件，其中每个覆盖件的表面都形成有多个槽。
3.如权利要求1所述的骨传导声振动发生元件，其中所述覆盖件中的一个具有气室。
4.如权利要求1到3中任一权利要求所述的骨传导声振动发生元件，其中所述双压电晶片元件具有包括压电陶瓷片和内电极的层压结构。
5.如权利要求1到3中任一权利要求所述的骨传导声振动发生元件，进一步包括一个由柔性材料制成的并与覆盖件整体形成的耳钩部分。
6.如权利要求4所述的骨传导声振动发生元件，进一步包括一个由柔性材料制成的并与覆盖件整体形成的耳钩部分。
7.一种骨传导声振动发生元件，包括：
双压电晶片元件或单压电晶片元件，以及由柔性材料制成的并覆盖整个该双压电晶片元件或单压电晶片元件的覆盖件；其中，所述骨传导声振动发生元件的弯曲模量与每单位长度的重量的比率小于仅仅所述双压电晶片元件或单压电晶片元件的弯曲模量与每单位长度的重量的比率。
8.如权利要求7所述的骨传导声振动发生元件，其中所述覆盖件的表面形成有多个槽。
9.如权利要求7所述的骨传导声振动发生元件，其中所述覆盖件的一侧形成有气室。
10.如权利要求7到9中任一权利要求所述的骨传导声振动发生元件，其中所述双压电晶片元件具有包括压电陶瓷片和内电极的层压结构。
11.如权利要求7到9中任一权利要求所述的骨传导声振动发生元件，进一步包括一个由柔性材料制成的并与覆盖件整体形成的耳钩部分。
12.如权利要求10所述的骨传导声振动发生元件，进一步包括一个由柔性材料制成的并与覆盖件整体形成的耳钩部分。
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