CN218679363U - 一种压电超声换能器及一种定向发声装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种压电超声换能器及一种定向发声装置，该压电超声换能器包括衬底及振动结构，振动结构为悬臂梁结构，振动结构一端与衬底连接，另一端为自由端，振动结构包括压电材料层、设于压电材料层远离衬底一侧的第一电极层、设于压电材料层靠近衬底一侧的第二电极层，第二电极层与衬底连接，振动结构在交流电作用下产生机械形变，对外辐射超声波，进行定向发声；该申请在避免增加纵向尺寸的前提下优化结构，通过设置悬臂梁式的振动结构除去振动结构一端的束缚，使得压电材料层在电场作用下的纵向位移大大增大，从而提高该压电超声换能器的声压级，且有效保证了其结构的薄型化。

Description

一种压电超声换能器及一种定向发声装置

技术领域

本实用新型涉定向发声技术领域，尤其涉及一种压电超声换能器及一种定向发声装置。

背景技术

压电超声换能器利用逆压电效应，在压电材料两侧施加电场，使得压电材料产生机械形变，从而对外辐射超声波。

图1是一种常见压电薄膜超声换能器，通过在上电极01和下电极02之间施加交流电压，压电材料03产生形变，辐射超声波。此设计主要问题在于压电材料03四周被衬底04固定，在电场作用下在衬底04围设形成的空隙中振动，产生的纵向位移较小，超声波声压级较小。

图2是一种常见的铝锥压电超声换能器，同样在上电极05和下电极06之间施加交流电压，压电材料07产生形变，再带动铝锥08振动。铝锥08谐振频率和激励的超声信号频率一致，所以铝锥08此时振动幅度会大幅提高，超声声压级较高。此设计主要问题是由于增加了铝锥，整体高度较大，不利于薄型化产品的应用。

因此，寻找一种能实现大振幅高声压且同时能保持薄型的压电超声换能器。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种压电超声换能器及一种定向发声装置，其能够有效实现大振幅高声压的同时保持自身较薄的厚度。

为实现上述实用新型目的，本实用新型提出如下技术方案：

第一方面，提供一种压电超声换能器，所述压电超声换能器包括：

衬底；

振动结构，所述振动结构为悬臂梁结构，所述振动结构一端与所述衬底连接，另一端为自由端，所述振动结构包括压电材料层、设于所述压电材料层远离所述衬底一侧的第一电极层、设于所述压电材料层靠近所述衬底一侧的第二电极层，所述第二电极层与所述衬底连接；所述振动结构在交流电作用下产生机械形变，对外辐射超声波，进行定向发声。

在一种较佳的实施方式中，所述压电超声换能器还包括围设于所述振动结构周向的边框结构，所述边框结构与所述衬底连接并形成第一空气间隙，所述边框结构与所述振动结构之间形成第二空气间隙，所述第一空气间隙与所述第二空气间隙相连通。

在一种较佳的实施方式中，所述边框结构包括依次连接的第一侧壁、第二侧壁第三侧壁，所述振动结构的自由端朝向所述第二侧壁设置。

在一种较佳的实施方式中，所述边框结构还包括第四侧壁及第五侧壁，所述第四侧壁连接于所述第一侧壁与所述衬底之间，所述第五侧壁连接于所述第三侧壁与所述衬底之间。

在一种较佳的实施方式中，所述第一侧壁与所述振动结构之间的距离、所述第二侧壁与所述振动结构之间的距离、所述第三侧壁与所述振动结构之间的距离均为0.1μm～10mm。

在一种较佳的实施方式中，所述衬底采用杨氏模量不小于100MPa的硬质材料制成。。

在一种较佳的实施方式中，所述边框结构与所述衬底一体成型。

在一种较佳的实施方式中，所述振动结构伸出所述衬底部分中，与所述衬底的延伸方向相垂直的边长长度为第一长度，与所述衬底的延伸方向相平行的边长长度为第二长度，所述第一长度与所述第二长度的比为1：1～5：1。

在一种较佳的实施方式中，所述压电材料层的厚度为1μm～10mm，所述压电材料层采用PZT、ZnO、AlN、PVDF中的至少一种材料制成。

在一种较佳的实施方式中，所述第一电极层及所述第二电极层的厚度均为1μm～10mm，所述第一电极层及所述第二电极层均采用铂、铜、铝中的至少一种材料制成。

第二方面，提供一种定向发声装置，所述定向发声装置包括如第一方面任意一项所述的压电超声换能器。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型提供一种压电超声换能器及一种定向发声装置，该压电超声换能器包括衬底及振动结构，振动结构为悬臂梁结构，振动结构一端与衬底连接，另一端为自由端，振动结构包括压电材料层、设于压电材料层远离衬底一侧的第一电极层、设于压电材料层靠近衬底一侧的第二电极层，第二电极层与衬底连接，振动结构在交流电作用下产生机械形变，对外辐射超声波，进行定向发声；该申请在避免增加纵向尺寸的前提下优化结构，通过设置悬臂梁式的振动结构除去振动结构一端的束缚，使得压电材料层在电场作用下的纵向位移大大增大，从而提高该压电超声换能器的声压级，且有效保证了其结构的薄型化。

进一步的，第一侧壁与振动结构之间的距离、第二侧壁与振动结构之间的距离、第三侧壁与振动结构之间的距离分别为0.1μm～10mm，在该距离范围内，可避免发生声短路、前后声压相位反相带来的声抵消及声压级降低的现象，有效提高声压级；

需要说明的是，本实用新型仅需实现上述至少一种技术效果即可。

附图说明

图1是现有压电薄膜超声换能器的结构示意图；

图2是现有铝锥压电超声换能器的结构示意图；

图3是本实施例1中压电超声换能器的立体结构示意图；

图4是实施例1中压电超声换能器另一视角下的立体结构示意图；

图5是实施例1中压电超声换能器另一视角下的立体结构示意图；

图6是实施例1中压电超声换能器的主视图；

图7是图6中A-A截面的剖视图；

图8是实施例1中的压电超声换能器与常用铝锥压电超声换能器的频响曲线对比图；

图9是实施例2中的定向发声装置的结构示意图。

图中标记：01，05-上电极，02,06-下电极，03,07-压电材料，04-衬底，08-铝锥，100-压电超声换能器，10-衬底，20-振动结构，21-压电材料层，22-第一电极层，23-第二电极层，30-边框结构，31-第一侧壁，32-第二侧壁，33-第三侧壁，34-第四侧壁，35-第五侧壁，40-第一空气间隙，50-第二空气间隙，200-定向发声装置，211-双面显示模组，212-第一偏光片，213-第二偏光片。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“垂直”、“上”、“下”、“顶”、“侧”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例一

如图3～7所示，本实施例提供一种压电超声换能器100，该压电超声换能器100包括衬底10、振动结构20及边框结构30，衬底10与振动结构20成角度连接，边框结构30围设于振动结构30周向，边框结构30与衬底10配合形成周向封闭的空心框体。其中，振动结构20为悬臂梁结构，振动结构20一端与衬底10连接，另一端为自由端。振动结构20在交流电作用下发生机械形变产生纵向位移，从而对外辐射超声波，形成定向声。

具体的，振动结构20包括压电材料层21、设于压电材料层21远离衬底10一侧的第一电极层22、设于压电材料层21靠近衬底10一侧的第二电极层23，第二电极层23与衬底10连接。

优选的，振动结构20伸出衬底10部分中，与衬底10的延伸方向相垂直的边长长度为第一长度，与衬底10的延伸方向相平行的边长长度为第二长度，第一长度与第二长度的比为1：1～5：1，优选为1:3。，在该比例范围内，可有效增大振动结构20自由端的运动幅度。进一步，第一长度与第二长度的比优选为1：3。

为了便于描述，本实施例将振动结构20的延伸方向定义为横向，将与振动结构20的延伸方向垂直的方向定义为纵向。作为优选的，衬底10沿纵向设置，从而与振动结构20相垂直，以对振动结构20的一端起到支撑作用，该结构下，第一电极层22与第二电极层23通电产生交流电场，压电材料层21在交流电场作用下产生机械形变，使振动结构20整体发生纵向位移形成超声波，调制超声波信号通过超声换能器发射出去，在非线性介质的解调下形成可听音频，并且具有较高的声音指向性，即可形成定向声。

进一步的，边框结构30与衬底10连接并形成第一空气间隙40，边框结构30与振动结构20之间形成第二空气间隙50，第一空气间隙40与第二空气间隙50相连通。可以理解的，第一空气间隙40形成于振动结构20侧向，第二空气间隙50形成于振动结构20下方，即该压电超声换能器的内部。

因此，本实施例中边框结构30对振动结构20的运动不做干涉，并且，悬臂梁结构的振动结构20在电场存在下在上述第一空气间隙40及第二空气间隙50中运动。

进一步的，本实施例中的边框结构30包括依次连接的第一侧壁31、第二侧壁32及第三侧壁33，振动结构30的自由端朝向第二侧壁32设置。优选的，依次连接的侧壁之间成角度设置，优选为垂直设置。进一步的，边框结构30还包括第四侧壁34及第五侧壁35，第四侧壁34连接于第一侧壁31与衬底10之间，第五侧壁35连接于第三侧壁33与衬底10之间。故，振动结构20与第一侧壁31、第二侧壁32及第三侧壁33均为非接触式设置。本实施例通过设置第四侧壁34及第五侧壁35使振动结构30与边框结构30为连接设置，有利于形成上述的第一空气间隙40。作为优选的，第一侧壁31与振动结构20之间的距离、第二侧壁32与振动结构20之间的距离、第三侧壁33与振动结构20之间的距离均为0.1μm～10mm。在该距离范围内，可避免发生声短路、前后声压相位反相带来的声抵消及声压级降低的现象，有效提高声压级。

上述，压电材料层21的厚度为1μm～10mm，第一电极层22及第二电极层23的厚度均为1μm～10mm。

上述，衬底10采用杨氏模量不小于100MPa的硬质材料制成，如硅(Si)、氧化硅(SiO)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)中的至少一种材料制成，边框结构30采用Si、SiO、ABS中的至少一种材料制成。压电材料层21采用锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)、氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)、聚偏二氟乙烯(PVDF)中的至少一种材料制成。第一电极层22及第二电极层23均采用铂、铜、铝中的至少一种材料制成。

当然，为了简化结构及提高结构强度，本实施例中的边框结构30与衬底10一体成型。

为了进一步确定该压电超声换能器100的声压级性能，将本实施例中的压电换能器100与常见铝锥压电超声换能器分别进行声压级试验，对比结果如图6所示。可见，本实施例中的压电换能器100在任一频率下的声压级均大大高于铝锥压电超声换能器。

综上，本实施例提供的压电超声换能器在避免增加纵向尺寸的前提下优化结构，通过设置悬臂梁式的振动结构除去振动结构一端的束缚，使得压电材料层在电场作用下的纵向位移大大增大，从而提高该压电超声换能器的声压级，且有效保证了其结构的薄型化。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例进一步提供一种定向发声装置200，该定向发声装置为单面定向发声扬声器、双面定向发声扬声器、单面定向发声屏、双面定向发声屏中的一种。

示例性的，如图7所示，当该定向发声装置为双面定向发声屏时，包括双面显示屏、分别集成于该双面显示屏相对两个显示面的两个压电超声换能器100。具体的，双面显示屏包括双面显示模组211、分别设于该双面显示模组的相对两侧的第一偏光片212及第二偏光片213，一个压电超声换能器100设于双面显示模组211与第一偏光片212之间，另一压电超声换能器100设于双面显示模组211与第二偏光片213之间。其中，双面显示屏210实施时可采用但不限于采用LCD、OLED等显示屏。

因此，本实施例提供的定向发声装置200通过将压电超声换能器100集成在现有装置的方式实现定向发声，甚至是双面定向发声及显示，基于该压电超声换能器100薄型化及较大的声压级，具有较为广泛的应用前景。

上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本实用新型的可选实施例，即可将任意多个实施例进行组合，从而获得应对不同应用场景的需求，均在本申请的保护范围内，在此不再一一赘述。

需要说明的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压电超声换能器，其特征在于，所述压电超声换能器包括：

衬底；

振动结构，所述振动结构为悬臂梁结构，所述振动结构一端与所述衬底连接，另一端为自由端，所述振动结构包括压电材料层、设于所述压电材料层远离所述衬底一侧的第一电极层、设于所述压电材料层靠近所述衬底一侧的第二电极层，所述第二电极层与所述衬底连接；所述振动结构在交流电作用下产生机械形变，对外辐射超声波，进行定向发声。

2.如权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述压电超声换能器还包括围设于所述振动结构周向的边框结构，所述边框结构与所述衬底连接并形成第一空气间隙，所述边框结构与所述振动结构之间形成第二空气间隙，所述第一空气间隙与所述第二空气间隙相连通。

3.如权利要求2所述的压电超声换能器，其特征在于，所述边框结构包括依次连接的第一侧壁、第二侧壁及第三侧壁，所述振动结构的自由端朝向所述第二侧壁设置。

4.如权利要求3所述的压电超声换能器，其特征在于，所述边框结构还包括第四侧壁及第五侧壁，所述第四侧壁连接于所述第一侧壁与所述衬底之间，所述第五侧壁连接于所述第三侧壁与所述衬底之间。

5.如权利要求3所述的压电超声换能器，其特征在于，所述第一侧壁与所述振动结构之间的距离、所述第二侧壁与所述振动结构之间的距离、所述第三侧壁与所述振动结构之间的距离均为0.1μm～10mm。

6.如权利要求2所述的压电超声换能器，其特征在于，所述衬底为杨氏模量不小于100MPa的硬质材料。

7.如权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述振动结构伸出所述衬底部分中，与所述衬底的延伸方向相垂直的边长长度为第一长度，与所述衬底的延伸方向相平行的边长长度为第二长度，所述第一长度与所述第二长度的比为1：1～5：1。

8.如权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述压电材料层的厚度为1μm～10mm，所述压电材料层采用PZT、ZnO、AlN、PVDF中的至少一种材料制成。

9.如权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述第一电极层及所述第二电极层的厚度均为1μm～10mm，所述第一电极层及所述第二电极层均采用铂、铜、铝中的至少一种材料制成。

10.一种定向发声装置，其特征在于，所述定向发声装置包括如权利要求1～9任意一项所述的压电超声换能器。

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