TWI843481B - 驅動裝置及包含該驅動裝置的聲學輸出裝置 - Google Patents
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Abstract
本說明書實施例提供一種驅動裝置和包含該驅動裝置的聲學輸出裝置。該驅動裝置包括一或多個驅動單元，每個驅動單元具有樑狀結構，樑狀結構包括振動輸出端和固定端，並且從固定端向振動輸出端延伸。每個驅動單元包括和增強層。壓電層用於回應於電信號而使驅動單元從振動輸出端輸出振動。增強層包括在樑狀結構的延伸方向上佈置的一或多個增強部件，一或多個增強部件中至少一個增強部件靠近振動輸出端佈置並且在延伸方向上，其尺寸不超過振動輸出端到固定端的距離的二分之一。通過增強部件的設置增強驅動裝置的驅動能力。
Description
本申請案涉及聲學技術領域，特別涉及一種驅動裝置。
本申請案主張於2022年4月15日提交之申請號為202210393847.5的中國專利申請案的優先權，其全部內容通過引用的方式併入本文。
壓電式的揚聲器是利用壓電材料的逆壓電效應產生振動向外輻射聲波，與傳動電動式揚聲器相比，具有機電換能效率高、能耗低、體積小、集成度高等優勢。在當今器件小型化和集成化的趨勢下，壓電式的揚聲器具有極其廣闊的前景與未來。但是，壓電式的揚聲器，尤其是微型壓電式揚聲器中的驅動部分存在驅動能力（例如，輸出位移）不足的問題，導致壓電式揚聲器在人耳可聽域內（例如，20 Hz-20 kHz）的輸出聲壓級較低，從而導致其在可聽域內靈敏度較低。
因此，希望提供一種驅動裝置，以在一定體積、功耗的前提下，提升其驅動能力。
本說明書實施例可以提供一種驅動裝置，包括一或多個驅動單元，每個驅動單元具有樑狀結構，所述樑狀結構包括振動輸出端和固定端，並且從所述固定端向所述振動輸出端延伸，每個驅動單元包括：壓電層，用於回應於電信號而使所述驅動單元從所述振動輸出端輸出振動；以及增強層，其中，所述增強層包括在所述樑狀結構的延伸方向上佈置的一或多個增強部件，所述一或多個增強部件中至少一個增強部件靠近所述振動輸出端佈置並且在所述延伸方向上，其尺寸不超過所述振動輸出端到所述固定端的距離的二分之一。
本說明書實施例還可以提供一種聲學輸出裝置，所述聲學輸出裝置包括如上所述的驅動裝置。
本發明的一部分附加特性可以在下面的描述中進行說明。通過對以下描述和相應附圖的研究或者對實施例的生產或操作的瞭解，本發明的一部分附加特性對於本領域技術人員是明顯的。本發明的特徵可以通過實踐或使用以下詳細實例中闡述的方法、工具和組合的各個方面來實現和獲得。
為了更清楚地說明本說明書的實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本說明書的一些示例或實施例，對於本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖將本說明書應用於其他類似情景。應當理解，給出這些示例性實施例僅僅是為了使相關領域的技術人員能夠更好地理解進而實現本說明書，而並非以任何方式限制本說明書的範圍。除非從語言環境中顯而易見或另做說明，圖中相同標號代表相同結構或操作。
應當理解，本文使用的“系統”、“裝置”、“單元”和/或“模組”是用於區分不同級別的不同元件、元件、部件、部分或裝配的一種方法。然而，如果其他詞語可實現相同的目的，則可通過其他表達來替換所述詞語。
如本說明書和權利要求書中所示，除非上下文明確提示例外情形，“一”、“一個”、“一種”和/或“該”等詞並非特指單數，也可包括複數。一般說來，術語“包括”與“包含”僅提示包括已明確標識的步驟和元素，而這些步驟和元素不構成一個排它性的羅列，方法或者設備也可能包含其他的步驟或元素。術語“基於”是“至少部分地基於”。術語“一個實施例”表示“至少一個實施例”；術語“另一實施例”表示“至少一個另外的實施例”。
在本說明書的描述中，需要理解的是，術語“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特徵可以明示或者隱含地包括至少一個該特徵。在本說明書的描述中，“多個”的含義是至少兩個，例如兩個、三個等，除非另有明確具體的限定。
在本說明書中，除非另有明確的規定和限定，術語“連接”、“固定”等術語應做廣義理解。例如，術語“連接”可以指固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係，除非另有明確的限定。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本說明書中的具體含義。
本說明書的實施例提供的驅動裝置可以包括一或多個驅動單元。每個驅動單元均具有樑狀結構。樑狀結構包括振動輸出端和固定端，並且從固定端向振動輸出端延伸。每個驅動單元可以包括壓電層與增強層，壓電層能夠回應於電信號而使驅動單元從樑狀結構的振動輸出端輸出振動，增強層可以調節驅動單元的阻尼和剛度。增強層可以包括在樑狀結構的延伸方向上佈置的一或多個增強部件。一或多個增強部件中至少一個增強部件靠近振動輸出端佈置並且在延伸方向（即，驅動單元固定端向振動輸出端延伸的方向）上，其尺寸不超過振動輸出端到固定端的距離的二分之一。
根據本說明書的一些實施例，通過對增強層與壓電層的厚度進行設置可以使得整個壓電層位於樑狀結構（即，壓電層與增強層的整體）的中性面的同一側，以增大樑狀結構彎曲時壓電層產生的張應力（或壓應力）導致的伸長（或壓縮）變形，提升驅動單元的輸出能力（例如，輸出位移）。此外，通過將一或多個增強部件中至少一個增強部件佈置在靠近振動輸出端並且在延伸方向上其尺寸不超過振動輸出端到固定端的距離的二分之一，可以在保證驅動單元可靠性的同時，使增強層對壓電層產生的負載較小，從而進一步提升驅動單元的輸出能力。
下面結合附圖對本說明書實施例提供的聲學輸出裝置進行詳細說明。
圖1是根據本說明書的一些實施例所示的示例性驅動裝置的結構框圖。如圖1所示，驅動裝置100可以包括一或多個驅動單元110。在一些實施例中，驅動單元110的形狀可以為圓形、橢圓形、三角形、四邊形、五邊形、六邊形等，也可以為其他不規則形狀。在一些實施例中，一或多個驅動單元110可以規則或不規則排布，從而使驅動裝置100整體結構為圓形、橢圓形、四邊形、五邊形、六邊形、八邊形以及其他多邊形等。例如，如圖5所示，驅動單元110可以為等腰三角形，驅動裝置100可以為由6個驅動單元110構成的正六邊形。又例如，如圖17所示，驅動單元110可以為不規則的多邊形，驅動裝置100可以為由多個驅動單元110構成的正六邊形。再例如，如圖19所示，驅動單元110可以為由多條弧形邊構成的不規則形狀，驅動裝置100可以為由多個驅動單元110構成的正六邊形。又例如，如圖21所示，驅動單元110可以為由多條弧形邊構成的不規則形狀，驅動裝置100可以為由多個驅動單元110構成的圓形。在本說明書中，將以驅動裝置為六邊形作為示例對驅動裝置100進行說明。
驅動單元110可以包括樑狀結構。樑狀結構可以包括振動輸出端與固定端（例如，圖6中的振動輸出端113和固定端111）。樑狀結構可以從固定端向振動輸出端延伸（或從振動輸出端向固定端延伸）。換句話說，驅動單元110可以具有從固定端向振動輸出端延伸（或從振動輸出端向固定端延伸）的樑狀結構。在一些實施例中，驅動單元110可以包括壓電層120與增強層130。
壓電層120可以回應於電信號而使驅動單元110從振動輸出端輸出振動。在從固定端到振動輸出端的延伸方向上，壓電層120可以部分或完全覆蓋所述樑狀結構。壓電層120可以在驅動電壓的作用下發生變形，從而產生振動。在一些實施例中，壓電層120可以包括壓電材料層以及兩層電極材料層。兩層電極材料層可以分別位於壓電材料層厚度方向的相反兩側。在一些實施例中，壓電材料層可以由具有壓電效應的材料（例如壓電陶瓷、壓電石英、壓電晶體、壓電聚合物等）製成。示例性的，壓電材料層的材料可以包括但不限於氮化鋁（AlN）、鋯鈦酸鉛（PZT）、氧化鋅（ZnO）等。在一些實施例中，電極材料層可以由導電性較強的材料（例如，金屬、合金、導電高分子材料等）製成。例如，電極材料層可以包括金屬鉬、銅、金、鈦、鋁、鈦金合金等。
增強層130可以改變驅動單元110的力學性能，例如提供驅動單元110的阻尼以及剛度。在一些實施例中，增強層130可以貼附在壓電層120（例如，電極材料層）上。壓電層120可以帶動增強層130振動。在一些實施例中，增強層130可以由半導體材料、高分子材料等製成。示例性半導體材料可以包括矽（Si）、氧化矽（SiO2）、氮化矽（SiNx）、碳化矽（SiC）等。示例性高分子材料可以包括聚醯亞胺（Polyimide、PI）、聚對二甲苯（Parylene）、聚二甲基矽氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）、水凝膠、光刻膠、矽膠、矽凝膠、矽密封膠等。在一些實施例中，增強層130可以具有單層或多層結構。例如，增強層130可以具有由一種半導體材料（例如，Si、SiO2）或一種高分子材料（例如，聚醯亞胺）製成的單層結構。又例如，增強層130可以具有由多種半導體材料製成的多層結構（例如，Si/SiO2雙層結構、Si/SiNx雙層結構等）。再例如，增強層130可以具有由多種高分子材料製備的多層結構。又例如，增強層130可具有由高分子材料和半導體材料製成的多層結構。
在一些實施例中，增強層130可以包括在樑狀結構的延伸方向（也可以稱為驅動單元110的延伸方向）（例如，如圖6所示的XX’方向）上佈置的一或多個增強部件（例如，增強部件132、134、136等）。至少一個增強部件可以靠近振動輸出端佈置，並且在延伸方向上該增強部件的尺寸不超過振動輸出端到固定端的距離的二分之一，以使增強層130對壓電層120產生的負載較小，從而提升驅動單元100的輸出能力。在本說明書中，樑狀結構或驅動單元110的延伸方向可以指從驅動單元110或樑狀結構的固定端中心沿樑狀結構中心線向其振動輸出端中心延伸的方向（或振動輸出端中心沿樑狀結構中心線向固定端中心延伸的方向）。
在一些實施例中，當壓電層120的兩層電極材料層處於樑狀結構（或驅動單元110）的中性面的不同側時，會導致在對驅動單元110施加電壓時位於樑狀結構的中性面兩側壓電材料層的應力與位移出現相互抵消的情況，進而削弱驅動單元110的輸出能力。在這種情況下，可以通過調節壓電層120和/或增強層130的厚度使壓電層120整體位於樑狀結構的中性面的一側，以使驅動單元110彎曲時，壓電層120的張應力（或壓應力）產生的伸長（或壓縮）變形不會被抵消，從而使振動輸出端輸出更大的位移或力。在一些實施例中，可以通過增加增強層130的厚度來增加壓電層110的幾何中間面位置與樑狀結構的中性面位置之間的距離，從而增大驅動單元110的輸出性能（即，輸出端的輸出位移）。在本說明書中，中性面可以指具有樑狀結構的驅動單元110在彎曲振動過程中，在樑狀結構的厚度方向上的過渡面，該過渡面沿樑狀結構的延伸方向既不產生拉伸變形又不產生壓縮變形。換句話說，中性面可以指樑狀結構或驅動單元110在彎曲振動過程中其所受正應力等於零的面。更多關於壓電層120和/或增強層130的厚度可以參見圖2及其描述。
在一些實施例中，通過調整一或多個增強部件的佈局，可以調節樑狀結構（或驅動單元110）的剛度或阻尼，從而調節驅動單元110的輸出性能。例如，一或多個增強部件可以包括第一增強部件和第二增強部件。第一增強部件可以佈置在靠近振動輸出端的位置，第二增強部件可以佈置在靠近固定端的位置。又例如，一或多個增強部件可以包括在延伸方向上間隔佈置的多個增強部件。多個增強部件可以沿延伸方向按照尺寸先減小、後增大的方式佈置。更多關於增強部件的佈置方式可以參見圖8至圖14及其描述，此處不再贅述。
在一些實施例中，驅動單元110可以包括襯底層140。襯底層140可以設置於壓電層120與增強層130之間。在一些實施例中，襯底層140可以與增強層130配合，以調節驅動單元110的剛度與阻尼，以及驅動單元110的中性面位置，從而調節驅動單元110的輸出性能。例如，通過調節襯底層140的厚度可以使壓電層120整體位於樑狀結構的中性面的一側，以使驅動單元110彎曲時，壓電層120的張應力（或壓應力）產生的伸長（或壓縮）變形能夠產生更大的振動。又例如，可以通過將增強層130局部覆蓋或全覆蓋於襯底層140，以調節驅動單元110的剛度，從而調節驅動單元110的結構可靠性。
在一些實施例中，襯底層140的材料與增強層130的材料可以相同，也可以不同。例如，襯底層140可以由半導體材料、高分子材料等製成。襯底層140的材料與增強層130的材料可以均是Si。又例如，襯底層140的材料可以包括Si與SiO2，增強層130的材料可以包括Si與PDMS。在一些實施例中，襯底層140可以具有單層或多層結構。例如，襯底層140可以具有由一種半導體材料（例如，Si、SiO2）或一種高分子材料（例如，聚醯亞胺）製成的單層結構。又例如，襯底層140可以具有由多種半導體材料製成的多層結構（例如，Si/SiO2雙層結構、Si/SiNx雙層結構等）。再例如，襯底層140可以具有由多種高分子材料製備的多層結構。又例如，襯底層140可具有由高分子材料和半導體材料製成的多層結構。
在一些實施例中，驅動裝置100還可以包括振動傳遞單元150。一或多個驅動單元110中的每個驅動單元110的振動輸出端可以與振動傳遞單元150連接，從而使驅動裝置100的振動能夠通過振動傳遞單元150輸出。例如，每個驅動單元110的振動輸出端可以通過彈性連接件160與振動傳遞單元150連接。
彈性連接件160可以是任何具有彈性的部件。在一些實施例中，彈性連接件160的材質可以包括半導體材料（例如，矽、氧化矽、氮化矽、碳化矽等）、聚醯亞胺、聚對二甲苯、水凝膠、PDMS、光刻膠、矽膠、矽凝膠、矽密封膠等或其任意組合。在一些實施例中，彈性連接件160可以包括單層結構或多層結構。例如，彈性連接件160可以具有由聚對二甲苯製成的單層結構。又例如，彈性連接件160可以具有由聚對二甲苯和聚醯亞胺製備的雙層結構。在一些實施例中，彈性連接件160可以位於驅動單元110設置有增強層130的一側。例如，彈性連接件160可以貼附在增強層130外側的一端（例如，靠近振動輸出端）。又例如，當增強層130設置在靠近固定端時，彈性連接件160可以直接貼附在襯底層140上。在一些實施例中，彈性連接件160的高度可以等於增強層130的高度（如圖6所示）。在一些實施例中，彈性連接件160的高度可以等於驅動單元樑狀結構的厚度（即，壓電層120、增強層130、襯底層140等的總厚度）。
在一些實施例中，驅動裝置100可以應用於揚聲器、微馬達、微泵、微鏡、流量計、電動機等驅動器中。示例性地，驅動裝置100可以作為驅動部分用於揚聲器（例如，骨傳導揚聲器、氣傳導揚聲器或骨氣傳導結合的揚聲器）中。驅動裝置100或驅動單元110輸出的振動可以產生人耳可聽頻率範圍內（例如，20Hz-20kHz）的聲音。在一些實施例中，揚聲器可以包括音響、耳機、眼鏡、助聽器、增強現實（Augmented Reality，AR）設備、虛擬實境（Virtual Reality，VR）設備等或具有音訊播放功能的其他設備（如手機、電腦等）。
驅動裝置100可以為揚聲器提供驅動力。在一些實施例中，驅動裝置100中每個驅動單元110可以分別通過固定端與揚聲器殼體固定連接，並且可以通過振動輸出端與揚聲器的振動部分連接。例如，可以通過振動傳遞單元150與揚聲器的振動部分（例如，振膜元件）連接，從而使驅動裝置100的振動能夠通過振動傳遞單元150傳遞至揚聲器的振動部分而輸出。在揚聲器工作過程中，驅動裝置100可以將電能轉換為機械能輸出力和位移，並將振動傳遞至揚聲器的振動部分。振動部分為驅動裝置100的負載部分，其能夠接收驅動裝置100傳遞的機械能（例如，力或位移等）並產生振動，從而使揚聲器產生聲音。例如，振動部分可以通過推動空氣向外輻射聲壓從而產生所需的聲音。
在一些實施例中，驅動裝置100也可以直接作為聲壓驅動部分，驅動裝置100可以將電能轉換成機械能輸出力和位移，並直接推動空氣振動，產生所需聲壓（即聲音）。在這種情況下，為了保證驅動裝置100中的多個驅動單元110的振動互不干擾的同時，減小驅動單元110振動產生的聲音的洩漏，驅動裝置100中任意相鄰的兩個驅動單元110之間的間隙寬度可以小於25μm。在一些實施例中，增強層130和襯底層140中的至少一個可以覆蓋任意相鄰的兩個驅動單元110之間的間隙，以防止驅動裝置100振動產生的聲音從間隙洩漏，影響揚聲器的輸出效果。在一些實施例中，多個驅動單元110可以包括同一個增強層130和/或襯底層140，即增強層130和/或襯底層140可以覆蓋任意相鄰的兩個驅動單元110之間的間隙，以防止驅動裝置100振動產生的聲音從間隙洩漏。
在一些實施例中，驅動裝置100（或驅動單元110）的輸出性能可以與驅動裝置100（或驅動單元110）和其負載（例如，揚聲器的振動部分）之間的振動傳遞效率相關。驅動裝置100與其負載之間的振動傳遞效率可以與驅動裝置100（或驅動單元110）的阻抗和負載的阻抗相關。因此，可以通過調節驅動裝置100（或驅動單元110）的阻抗和/或其負載的阻抗，來提高驅動裝置100（或驅動單元110）的輸出性能。例如，可以使驅動裝置100（或驅動單元110）的阻抗與其負載的阻抗匹配或基本上匹配，來提高驅動裝置100（或驅動單元110）的輸出性能。更多關於阻抗匹配的描述可以參見本說明書中圖5至圖7及其描述。
應當注意的是，以上關於圖1的描述僅僅是出於說明的目的而提供的，並不旨在限制本說明書的範圍。對於本領域的普通技術人員來說，根據本說明書的指導可以做出多種變化和修改。例如，在一些實施例中，驅動裝置100中的一或多個部件可以被其他能實現類似功能的元件替代。例如，驅動裝置100可以不包括襯底層140，增強層130可以直接貼附在壓電層120上。此時，增強層130可以由半導體材料（例如，Si，SiO2、SiNx等中的一種或多種）製成。這些變化和修改不會背離本說明書的範圍。
圖2是根據本說明書的一些實施例所示的示例性驅動單元沿垂直于其樑狀結構延伸方向的截面示意圖。圖3是根據本說明書一些實施例所示的示例性驅動單元彎曲振動變形時沿垂直于其樑狀結構延伸方向的截面示意圖。由於驅動單元110在彎曲振動過程中，沿其樑狀結構的厚度方向（即ZZ’方向）的一側受拉伸力，另一側受擠壓力，因此，在垂直于其振動方向的截面上存在一個既不受拉伸力、又不受擠壓力的過渡面，該過渡面的正應力等於零。在本說明書中，這個過渡面可以稱為驅動單元110的中性面。需要知道的是，樑狀結構中性面位置不一定在其厚度方向（如圖2中ZZ’方向）的中間位置。具有樑狀結構的驅動單元110在振動過程中都可以具有其對應的中性面。
在一些實施例中，如圖3所示，當壓電層120在電壓驅動下發生伸縮變形時，在驅動單元110中性面的另一側的結構（例如，整個增強層130和部分襯底層140）可以發生相反的變形，從而驅動樑狀結構產生彎曲變形，輸出沿ZZ’方向的位移。若壓電層120處於樑狀結構（或驅動單元110）的中性面的不同側時（即樑狀結構的中性面穿過壓電層120時），會導致在對驅動單元110施加電壓時位於樑狀結構的中性面位置附近的壓電材料層的應力與位移出現相互抵消的情況，進而削弱驅動單元110的輸出能力。因此，對於具有樑狀結構的驅動單元110，為了使得驅動單元110能夠在工作時產生最大位移輸出，可以對樑狀結構的中性面位置進行設計優化，從而使整個壓電層120位於驅動單元110的中性面的同一側。
如圖2與圖3所示，驅動單元110可以包括三層結構，依次可以為第一層的增強層130、第二層的襯底層140以及第三層的壓電層120。虛線CC’表示驅動單元110的中性面的位置。第i層結構的矩形橫截面面積
可以根據公式（1）確定：
，（1）
其中，
表示第i層結構的厚度，w表示驅動單元110的樑狀結構的寬度。
驅動單元110（或樑狀結構）的中性面位置可以與各層結構的材料厚度及其楊氏模量有關，驅動單元110的中性面的位置可以通過驅動單元的中性面距增強層130表面的距離h來表示。僅作為示例，h可以根據公式（2）確定：
，（2）
其中，
表示第i層結構的材料的楊氏模量，
表示第i層結構的幾何中間面距增強層130表面的距離。需要知道的是，在本說明書中，第i層結構（例如，壓電層120、增強層130或襯底層140）的幾何中間面是指沿樑狀結構的振動方向上的第i層結構的幾何中間面。
進一步地，驅動單元110的多層結構的各層結構的轉動慣量
可以滿足：
。（3）
壓電層120沿樑狀結構延伸方向（即同時垂直於方向ZZ’和YY’的方向）上不同位置x處的平均應力
可以滿足公式（4）：
，（4）
其中，
表示外界施加的彎矩。在一些實施例中，可以通過直接施加機械彎矩或者通過電力轉換實現彎矩施加。示例性的，可以在壓電層120的兩層電極材料層施加電壓，壓電層120通過逆壓電效應產生形變以實現彎矩施加。
壓電層120沿樑狀結構延伸方向的不同位置x處的平均應力
決定了驅動單元110中壓電層120沿樑狀結構延伸方向不同位置的伸長量或壓縮量。平均應力
越大可使得對應壓電層120的伸長或壓縮量越大，從而使得壓電層120的輸出位移越大。
由公式（4）可知，壓電層120沿樑狀結構延伸方向的不同位置x處的平均應力
大小與驅動單元110中壓電層120的轉動慣量I
3成反相關，且壓電層120沿樑狀結構延伸方向的不同位置x處的平均應力
大小與壓電層120的幾何中間面與驅動單元110的中性面之間的距離成正相關。因此，在一些實施例中，可以通過增加壓電層120的幾何中間面與驅動單元110的中性面之間的距離（即公式（4）中的h
3-h），以使壓電層120的應力
增加，使得相同電壓輸入的情況下，驅動單元110（或樑狀結構）可以輸出更大的垂直於驅動單元110長寬方向的位移（即圖2中ZZ’方向的位移），進而提升驅動單元110（或驅動裝置100）的輸出性能。在一些實施例中，為了盡可能增加壓電層120的幾何中間面與驅動單元110的中性面之間的距離，襯底層140和/或增強層130的厚度可以盡可能地大於壓電層120的厚度。
在一些實施例中，由於襯底層140與增強層130本身不提供電與力的轉換的作用，相較壓電層120而言為負載，因此當襯底層140與增強層130厚度過大時，會使得壓電層120在驅動單元110的樑狀結構中的負載過大，導致驅動單元110的樑狀結構的最終的位移輸出減小，因此襯底層140的厚度與增強層130的厚度需要協調設計。
繼續參照圖2與圖3，增強層130與襯底層140的總厚度t
p可以根據公式（5）確定：
，（5）
其中，
表示增強層130的厚度，
表示襯底層140的厚度。
增強層130與襯底層140的總厚度
與壓電層120的厚度
的比值
可以根據公式（6）確定：
。（6）
圖4是根據本說明書一些實施例所示的對應於不同襯底層與增強層的總厚度與壓電層的厚度的比值的驅動單元應用于揚聲器時揚聲器的頻響曲線。如圖4所示，曲線m、曲線n和曲線o表示增強層130與襯底層140的總厚度
與壓電層120的厚度
的比值
分別等於9.5、14.3、21.5時的驅動單元對應的揚聲器的頻響曲線。從圖4中可以看出，當增強層130與襯底層140總厚度
與壓電層120的厚度
的比值
較小時（例如，對應曲線m），由於壓電層120的幾何中間面與驅動單元110的中性面之間的距離較小，因而在相同的壓電層120的變形下，驅動單元110的樑狀結構在其振動方向（如圖2中ZZ’方向）的輸出位移減小，從而導致揚聲器的輸出聲壓級（Sound Pressure Level，SPL）降低。
當增強層130與襯底層140總厚度
與壓電層120的厚度
的比值
逐漸增大時（從曲線m到曲線o變化），雖然壓電層120的幾何中間面與驅動單元110的中性面之間的距離增加，但由於襯底層140與增強層130本身不提供電與力的轉換的作用，相較壓電層120而言為負載，會使得壓電層120的負載過大，驅動單元110的整體剛度增加，從而導致驅動單元110的樑狀結構最終的輸出位移減小，進而導致揚聲器的輸出聲壓級降低。此外，由於驅動單元110（即驅動裝置100）的剛度增加，會使揚聲器的第一諧振頻率增加，同時使第一諧振峰後的輸出聲壓級增加。因此，對於主要追求中高頻（例如，500Hz-10kHz）範圍內高靈敏度的驅動單元110（即驅動裝置100），增強層130與襯底層140的總厚度
與壓電層120的厚度
的比值
可以設置得較大。
為了提高驅動單元110在中高頻範圍內的靈敏度，同時避免過厚的增強層130和/或襯底層造成過大的負載，在一些實施例中，增強層130與襯底層140的總厚度
與壓電層120的厚度
的比值
取值範圍可以為2-50。在一些實施例中，增強層130與襯底層140的總厚度
與壓電層120的厚度
的比值
取值範圍可以為3-20。在一些實施例中，增強層130與襯底層140的總厚度
與壓電層120的厚度
的比值
取值範圍可以為4-15。在一些實施例中，增強層130與襯底層140的總厚度
與壓電層120的厚度
的比值
取值範圍可以為5-10。在一些實施例中，驅動單元110不包括襯底層140，可以通過調節增強層130與壓電層120厚度比值來調節驅動單元110的性能。優選地，增強層130的厚度與壓電層120的厚度的比值的取值範圍可以是2-50。更優選地，增強層130的厚度與壓電層120的厚度的比值的取值範圍可以是3-20。
圖5是根據本說明書一些實施例所示的示例性驅動裝置的示意圖。圖6是圖5中的驅動裝置的A-A截面示意圖。圖7是根據本說明書一些實施例所示的壓電層沿驅動單元的樑狀結構延伸方向的應變曲線示意圖。在一些實施例中，如圖5所示，驅動裝置100可以包括6個具有樑狀結構的驅動單元110。6個驅動單元110可以構成六邊形結構。任意兩個相鄰的驅動單元100之間可以有間隙。在一些實施例中，間隙可以被襯底層140和/或增強層覆蓋。在一些實施例中，驅動單元110可以包括壓電層120、增強層130、襯底層140以及振動傳遞單元150。驅動單元110的一端（即固定端111）可以通過固定部件170被固定，驅動單元110的另一端（即振動輸出端113）可以與振動傳遞單元150連接。例如，當驅動裝置100應用于揚聲器時，每個驅動單元110的固定端111可以分別與揚聲器的殼體固定連接，每個驅動單元110的振動輸出端113可以通過彈性連接件160與振動傳遞單元150連接。進一步地，振動傳遞單元150可以與揚聲器的振動部分（例如，振膜元件）連接，從而將振動傳遞至揚聲器的振動部分。
在一些實施例中，如圖6所示，驅動單元110的增強層130、襯底層140和壓電層120沿樑狀結構（或驅動單元110）延伸方向（即XX’方向）的長度可以相等。在驅動單元110的延伸方向上，增強層130可以與襯底層140配合共同對驅動單元110的中性面的位置以及驅動單元110的剛度進行調節。例如，可以增大增強層130和/或襯底層140的厚度，使驅動單元110的中性面位置與壓電層120的幾何中間面位置之間的距離增大。又例如，可以通過將增強層130局部覆蓋或全覆蓋於襯底層140，從而實現對驅動單元110的中性面位置的調節以及對驅動單元110的剛度的調節，進而調節驅動單元110的結構可靠性。
在一些實施例中，如圖5與圖6所示，選取一條沿驅動單元110延伸方向的線段L1。在驅動單元110的寬度方向（即同時垂直於方向XX’和ZZ’的方向）上，驅動單元110可以沿L1對稱（如圖5所示）。驅動單元110與彈性連接件160的連接位置的中心點為R0，驅動單元110與固定部件170的連接位置的中心點為R1，R0至R1的方向即為驅動單元110的樑狀結構的延伸方向。在線段L1上不同位置處對應的壓電層120的應變值可以用來表徵驅動單元110的樑狀結構沿其延伸方向不同位置的應變變化。
如圖7所示，圖7中橫坐標表示線段L1上的不同位置，縱坐標表示壓電層120上對應位置的應變，其中縱坐標軸上數值的負號“-”代表壓應變。在位置從R0至R1的範圍內，可以將壓電層120分為四段，依次可以為初始應變區R0-a、小應變區a-b、應變速增區b-c、大應變區c-R1。由圖7可知，沿驅動單元110延伸方向不同位置，壓電層120所產生的應變不同，即為驅動單元110貢獻的輸出位移值不同。初始應變區R0-a的應變最小；小應變區a-b的應變開始增大，但變化幅度較小；應變速增區b-c的應變繼續增大，且變化幅度變大；大應變區c-R1的應變最大，且變化幅度較大。沿驅動單元110延伸方向（即R0指向R1的方向）上，越靠近驅動單元110的固定端111（即越靠近R1）的位置，壓電層120的應變越大，其應變貢獻值越大（即，該位置對壓電層120的彎曲變形的貢獻量越大）。
因此，在一些實施例中，可以根據壓電層120沿驅動單元110延伸方向的不同位置在實際工作時貢獻的變形量，並結合壓電層120沿驅動單元110延伸方向的平均應力分佈，在樑狀結構的延伸方向的不同位置佈置不同質量分佈的增強層130（例如，不同的增強部件），在有效調節驅動單元110的中性面的位置的同時對壓電層120的負載以及驅動單元110的整體剛度進行調節，從而使得驅動單元110輸出較大的位移，同時使驅動單元110與其負載（例如，揚聲器的振動部分）實現阻抗匹配或基本上匹配，使得驅動裝置100產生的位移可以被有效傳遞。例如，增強層130可以不完全覆蓋壓電層120，即，增強層130長度可以短於壓電層120長度（如，增強層130尺寸不超過振動輸出端113到固定端111的距離
的二分之一）。例如，對於驅動裝置100的負載較小的應用場景，可以將增強層130佈置在靠近驅動單元110振動輸出端113的位置（例如，初始應變區R0-a），以減小增強層130對樑狀結構彎曲變形時的約束，減小樑狀結構的變形阻力，增強樑狀結構的變形能力，從而增強樑狀結構的輸出能力，提升驅動單元110的輸出性能。需要知道的是，本說明書中所說的“靠近”振動輸出端113（或固定端111）表示到振動輸出端113（或固定端111）的最短距離不超過振動輸出端113到固定端111的距離的20%。進一步地，在相同增強層質量的情況下，由於增強層130變短，相當於壓電層120的負載變輕，此時，可以進一步增加的增強層130的厚度，從而增加壓電層120的幾何中間面與驅動單元110的中性面之間的距離（即公式（4）中的h
3-h），提升驅動單元110的輸出性能。又例如，對於驅動裝置100的負載較大的應用場景，增強層130可以包括多個增強部件。多個增強部件可以沿延伸方向按照尺寸先減小、後增大的方式佈置。更多關於不同質量分佈的增強層的描述可以參見本說明書中圖8、圖9、圖12和圖13及其相關描述。
圖8是根據本說明書一些實施例中所示的示例性驅動裝置的部分結構的示意圖。圖9是圖8中驅動裝置的B-B截面示意圖。在一些實施例中，如圖8與圖9所示的驅動裝置100可以應用於其負載較小的應用場景。對於驅動裝置100的負載較小的應用場景（例如，驅動裝置100應用于揚聲器中時，驅動裝置100直接作為聲壓驅動部分推動空氣負載產生聲壓），可以設計驅動單元110的結構使驅動單元110的樑狀結構自身（例如，增強層130和襯底層140）對壓電層120產生較小的負載，以增大驅動裝置100的輸出位移，同時降低驅動單元110（或驅動裝置100）的剛度，從而使驅動裝置100的阻抗與其負載的阻抗相匹配或基本上匹配，以將驅動裝置100的振動位移以最高效的方式傳遞至其負載。
在一些實施例中，增強層130可以包括第一增強部件（即增強部件132）與第二增強部件（即增強部件134）。第一增強部件132和第二增強部件134沿延伸方向的尺寸之和可以小於壓電層120沿延伸方向的尺寸。第一增強部件132可以設置在靠近振動輸出端113的位置，第二增強部件134可以設置在靠近固定端111的位置。如此佈置，通過第一增強部件132和第二增強部件134可以增加樑狀結構的中性面位置與壓電層120的幾何中間面位置之間的距離，從而提升驅動單元110的輸出位移，增強驅動單元110的輸出能力；通過第二增強部件134可以強化對驅動單元110上應變較大區域的支撐，降低驅動單元110工作時被損壞的可能性，增強驅動裝置100的可靠性。在一些實施例中，增強層130可以只包括佈置于振動輸出端113附近的第一增強部件132，而不包括第二增強部件134。在一些實施例中，第一增強部件132在驅動單元110的延伸方向上的尺寸可以不超過振動輸出端113到固定端111的距離
的二分之一。在一些實施例中，第一增強部件132在驅動單元110的延伸方向上的尺寸可以根據增強層130中增強部件的佈置方式進行調整。例如，當增強層130只包括佈置于振動輸出端113附近的第一增強部件132時，第一增強部件132的尺寸可以佈置得稍大些（例如，超過振動輸出端113到固定端111的距離
的二分之一），以確保樑狀結構的中性面位置與壓電層120的幾何中間面位置之間的距離滿足需求。又例如，當增強層130同時包括第一增強部件132和第二增強部件134時，第一增強部件132的尺寸可以稍小一些（例如，在振動輸出端113到固定端111的距離
的五分之一到五分之三之間），以與第二增強部件134配合調整樑狀結構的中性面位置與壓電層120的幾何中間面位置之間的距離。再例如，當增強層130同時多個增強部件時（如圖13所示），第一增強部件132的尺寸可以更小一些（例如，在振動輸出端113到固定端111的距離
的十分之一到二分之一之間），以與其他增強部件配合調整樑狀結構的中性面位置與壓電層120的幾何中間面位置之間的距離以及樑狀結構的剛度等。
在一些實施例中，為了更好地將驅動單元110進行固定，驅動單元110的固定端111在ZZ’方向可以與固定部件170重疊，在驅動單元110振動過程中，與固定部件170重疊的部分（即固定端111）可以不參與振動。在本說明書中，驅動單元110在其延伸方向的尺寸是指驅動單元110中可以自由振動的部分（例如，未與固定部件170重疊的部分）的尺寸，其數值等於驅動單元110在延伸方向上的中心線的長度。例如，如圖5所示的驅動裝置100中驅動單元110在其延伸方向的尺寸等於R0與R1之間的距離。在一些實施例中，驅動單元110在其延伸方向的尺寸也可以稱為驅動單元110的等效長度。
如圖9所示，第二增強部件134沿驅動單元110延伸方向的尺寸
與驅動單元110沿其延伸方向的尺寸
比值
滿足：
。（7）
第一增強部件132沿驅動單元110延伸方向的尺寸
與驅動單元110沿其延伸方向的尺寸
比值
滿足：
。（8）
通過設置
與
的不同取值，可以在調節增強層130對壓電層120的負載的同時，還使得增強層130能夠對驅動單元110的中性面的位置及驅動單元110的剛度進行調節，從而使驅動單元110的輸出位移滿足不同需求。在一些實施例中，
取值範圍可以為0.05-0.25。在一些實施例中，
的取值範圍可以為0.05-0.3。
在一些實施例中，第一增強部件132與第二增強部件134在振動輸出端113的振動方向上（即方向ZZ’）的厚度可以相同，以便於製備增強層130（或驅動單元110）。請參照圖2，在一些實施例中，每個增強部件（或增強層130）的厚度
與襯底層140的厚度
的比值
可以滿足：
。（9）
當襯底層140全部覆蓋壓電層120時，在相同總厚度的情況下，每個增強部件（或增強層130）的厚度
與襯底層140的厚度
的比值
可以影響驅動單元110（或驅動裝置100）的剛度，從而影響驅動單元110輸出性能（例如，傳遞性能）。在一些實施例中，為了使整個壓電層位於樑狀結構的中性面的同一側，以增大樑狀結構彎曲時壓電層產生的張應力（或壓應力）導致的伸長（或壓縮）變形，提升驅動單元的輸出能力，增強層130的厚度
與襯底層140的厚度
的比值
的取值範圍可以為0.8-2。進一步地，為了保證既能實現驅動單元110具有較強的可靠性，同時對於壓電層120的負載相對較小，增強層130的厚度
與襯底層140的厚度
的比值
的取值範圍可以為1-1.5。
在一些實施例中，為了在對驅動單元110的中性面位置造成盡可能小的影響的條件下，進一步減輕壓電層120的負載，從而進一步提升驅動單元110的輸出性能，至少一個增強部件（例如，第一增強部件132或第二增強部件134）可以包括多個對應的子增強部件。每個增強部件對應的多個子增強部件可以沿垂直於驅動單元110的延伸方向的方向上間隔佈置，即，每個增強部件對應的多個子增強部件可以沿驅動單元110的寬度方向間隔佈置。
圖10是根據本說明書一些實施例所示的示例性驅動裝置的部分結構的示意圖。圖11是根據本說明書一些實施例所示的示例性驅動裝置的部分結構的示意圖。如圖10所示，在一些實施例中，第二增強部件134可以包括多個對應的沿驅動單元110的寬度方向間隔佈置的子增強部件（例如子增強部件134-1、134-2、134-3、134-4等）。如圖11所示，第一增強部件132可以包括多個對應的沿驅動單元110的寬度方向間隔佈置的子增強部件（例如子增強部件132-1、132-2等），第二增強部件（增強部件134）也包括多個對應的沿驅動單元110的寬度方向間隔佈置的子增強部件（例如子增強部件134-1、134-2、134-3、134-4等）。
圖12是根據本說明書一些實施例中所示的示例性驅動裝置的部分結構的示意圖。圖13是圖12中驅動裝置的C-C截面示意圖。在一些實施例中，如圖12與圖13所示的驅動裝置100可以應用於其負載較大的應用場景。對於驅動裝置100的負載較大的應用場景（例如，驅動裝置100應用于揚聲器中時，揚聲器振動部分形成的質量-彈簧-阻尼系統中的質量與彈簧剛度均較大），可以設計驅動單元110的結構使驅動單元110具有較大的剛度，從而使驅動裝置100的阻抗與其負載的阻抗相匹配或基本上匹配，以將驅動裝置100的振動位移以最高效的方式傳遞至其負載。
在一些實施例中，可以通過直接增加襯底層140的厚度與增強層130的厚度，從而調節驅動單元110的剛度，但是增加襯底層140的厚度與增強層120的厚度，會使得壓電層120的負載也增加，導致驅動單元110的輸出減小。為了解決上述問題，在一些實施例中，如圖12與圖13所示，增強層130可以包括沿驅動單元110的延伸方向間隔佈置的多個增強部件（例如，增強部件132、134、136、138等）。通過將多個增強部件沿驅動單元110的延伸方向間隔佈置，一方面能夠在繼續增加增強層130的厚度（例如，各個增強部件的厚度）的情況下，保持負載（即，襯底層140與增強層130的總質量）不變或減小，進而增大驅動單元110的中性面與壓電層120的幾何中間面之間的距離；另一方面通過間隔佈置增強部件的方式還能夠對驅動單元110的剛度進行調節，實現驅動單元110與其負載之間的阻抗匹配，從而綜合提升驅動單元110的輸出性能。
在一些實施例中，增強部件132可以作為第一增強部件佈置在驅動單元110靠近振動輸出端113的位置，增強部件134可以作為第二增強部件佈置在驅動單元110靠近固定端111的位置。其他增強部件（例如，增強部件136、138等）可以沿著驅動單元110的樑狀結構的延伸方向間隔佈置在第一增強部件與第二增強部件之間。在一些實施例中，多個增強部件在振動輸出端113的振動方向上的厚度可以相同或不同。例如，多個增強部件在振動輸出端113的振動方向上的厚度可以相同，以便於製備增強層130（或驅動單元110）。又例如，多個增強部件在振動輸出端113的振動方向上的厚度可以不同。具體地，由於靠近振動輸出端113的增強部件對樑狀結構彎曲變形時的約束較小，而位於樑狀結構中間區域的增強部件對樑狀結構彎曲變形時的約束較大，因此，靠近振動輸出端113的增強部件的厚度可以大於位於樑狀結構中間區域的增強部件的厚度。在一些實施例中，可以通過調節每兩個相鄰的增強部件之間的間隔在樑狀結構延伸方向上的尺寸大小來調節驅動單元110的剛度。在一些實施例中，每兩個相鄰的增強部件之間的間隔在樑狀結構延伸方向上的尺寸可以相同或不同。例如，增強部件134與增強部件136之間的間隔尺寸
與增強部件136與增強部件138之間的間隔尺寸
可以不同。在一些實施例中，任意兩個相鄰的增強部件之間的間隔在樑狀結構延伸方向上的尺寸的取值範圍可以為20-200μm。
在一些實施例中，多個增強部件沿延伸方向的尺寸可以相同或不同。例如，多個增強部件沿延伸方向的尺寸可以相同。再例如，多個增強部件沿樑狀結構延伸方向（例如，從彈性輸出端113指向固定端111的方向）的尺寸可以逐漸減小或逐漸增大。又例如，多個增強部件沿樑狀結構延伸方向的尺寸可以是隨機任意佈置的。
在一些實施例中，對於驅動裝置100的負載較大的應用場景，為了在提升驅動單元110的可靠性的同時，減小壓電層120的負載，且減小對樑狀結構的中間應變較大的區域（例如，大應變區c-R1等）的變形約束，從而減小樑狀結構的變形阻力，增強驅動單元110的變形能力，進而提升驅動單元110的輸出能力，多個增強部件可以沿延伸方向按照尺寸先減小、後增大的方式佈置。換句話說，可以在振動輸出端113和/或固定端111佈置較大尺寸的增強部件，而在樑狀結構中間部分佈置較小尺寸的增強部件。具體地，通過在靠近振動輸出端113的位置佈置尺寸較大的增強部件，可以在應變較小區域（例如，小應變區a-b）通過較大尺寸的增強部件來調節增強部件的厚度，同時減少對樑狀結構變形時的約束；通過在靠近固定端111的位置佈置尺寸較大的增強部件，可以在應變較大區域（例如，大應變區c-R1）通過較大尺寸的增強部件增強樑狀結構的剛度，從而使樑狀結構在彎曲振動時不易斷裂，增強樑狀結構的可靠性；通過在樑狀結構中間區域佈置較小尺寸的增強部件，可以在增大樑狀結構剛度的同時，盡可能地減小增強部件對樑狀結構的變形約束，從而減小樑狀結構的變形阻力，使樑狀結構變形能力更強。在一些實施例中，佈置在距振動輸出端113距離為第一距離的範圍內的增強部件沿延伸方向的尺寸可以在50-400μm範圍內，佈置在距振動輸出端113距離在第一距離至第二距離的範圍內的增強部件沿延伸方向的尺寸可以在20-200μm範圍內。進一步地，佈置在距振動輸出端113距離在第二距離至第三距離的範圍內的增強部件沿延伸方向的尺寸可以在20-100μm範圍內，佈置在距振動輸出端113距離在第三距離以上的增強部件沿延伸方向的尺寸可以在50-400μm範圍內。在一些實施例中，第一距離可以小於或等於振動輸出端113到固定端111的距離
的1/5（即
）。第二距離可以小於或等於振動輸出端113到固定端111的距離
的2/5（即
），且第二距離大於第一距離。第三距離可以小於或等於振動輸出端113到固定端111的距離
的14/15（即
），且第三距離大於第二距離。
在一些實施例中，為了在對驅動單元110的中性面位置造成盡可能小的影響的條件下，進一步減輕壓電層120的負載，從而進一步提升驅動單元110的輸出性能，至少一個增強部件可以包括多個對應的子增強部件。每個增強部件對應的多個子增強部件可以沿垂直於驅動單元110的延伸方向的方向上間隔佈置，即，每個增強部件對應的多個子增強部件可以沿驅動單元110的寬度方向間隔佈置。
圖14是根據本說明書一些實施例所示的示例性驅動裝置的部分結構的示意圖。如圖14所示，在一些實施例中，在沿樑狀結構延伸方向間隔佈置的多個增強部件中，可以有部分增強部件包括各自對應的多個子增強部件，其餘部分的增強部件可以不包括子增強部件。例如，增強部件132可以不包括子增強部件，增強部件134可以包括對應的多個子增強部件134-1、134-2、134-3、134-4等，增強部件136也可以包括對應的多個子增強部件136-1、136-2、136-3、136-4等。
需要知道的是，當具有樑狀結構的驅動單元110在工作中產生彎曲變形時，可近似為懸臂梁結構在均布載荷作用下的彎曲變形形式，對於該類變形形式，樑狀結構的振動輸出端113可以在其厚度方向（例如，圖2與圖3中ZZ’方向）上輸出的位移y滿足：
，（10）
其中，
表示均布載荷，
表示樑狀結構的沿其延伸方向的尺寸（或樑狀結構的等效長度），
E表示樑狀結構的楊氏模量，
I表示樑狀結構的轉動慣量。
根據公式（10）可知，通過增加樑狀結構的等效長度
，可以使樑狀結構的輸出位移y增大，從而提升驅動單元110（或驅動裝置100）的輸出性能。在一些實施例中，在相同的驅動裝置100的尺寸下，可以增加驅動單元110樑狀結構的等效長度
，來使樑狀結構的輸出位移y增大。
圖15至圖21是根據本說明書一些實施例所示的示例性驅動裝置的另一些結構示意圖。在一些實施例中，如圖15至圖21所示，驅動裝置100可以包括一或多個驅動單元110。一或多個驅動單元110的樑狀結構可以採用旋轉彎曲式設計，以增大驅動單元110的等效長度
。示例性的，如圖15至圖21所示，驅動單元110的樑狀結構可以具有朝順時針或逆時針方向彎曲的螺旋結構。如圖15所示的驅動單元110，其從固定端111指向振動輸出端113的兩側邊均為直線。在保持驅動裝置100的尺寸不變的情況下，通過同時將兩條側邊向同一個方向傾斜，從而可以將振動輸出端113設置得更遠離固定端111，以此增加驅動單元110的等效長度
。該驅動單元110的等效長度
可以等於其固定端111的幾何中心點a1到振動輸出端113的幾何中心點b1之間的距離。如圖16所示的驅動單元110，其從固定端111指向振動輸出端113的兩側邊均為折線。在保持驅動裝置100的尺寸不變的情況下，通過同時將兩條側邊向同一個方向彎折，從而可以將振動輸出端113設置得更遠離固定端111，以此增加驅動單元110的等效長度
。該驅動單元110的等效長度
可以等於其固定端111的幾何中心點a2到彎折點連線的幾何中心點o1之間的距離與點o1到振動輸出端113的幾何中心點b2之間的距離之和。類似地，如圖17所示的驅動單元110，其從固定端111指向振動輸出端113的兩側邊均為折線。該驅動單元110的等效長度
可以等於其固定端111的幾何中心點a3到第一彎折點連線的幾何中心點c1之間的距離、點c1到第二彎折點連線的幾何中心點c2之間的距離、點c2到第三彎折點連線的幾何中心點c3之間的距離、以及點c3到振動輸出端113的幾何中心點b3之間的距離的總和。如圖18所示的驅動單元110，其固定端111邊緣為弧線，振動輸出端113邊緣為直線，其從固定端111指向振動輸出端113的兩側邊均為弧線。在保持驅動裝置100的尺寸不變的情況下，通過同時將兩條側邊向同一個方向彎曲，從而可以將振動輸出端113設置得更遠離固定端111，以此增加驅動單元110的等效長度
。該驅動單元110的等效長度
可以等於其固定端111的幾何中心點a4到振動輸出端113的幾何中心點b4之間的中心線（也稱為中弧線）的長度。類似地，如圖19所示的驅動單元110，其固定端111與振動輸出端113邊緣均為弧線，其從固定端111指向振動輸出端113的兩側邊也均為弧線。該驅動單元110的等效長度
可以等於其固定端111的幾何中心點a5到振動輸出端113的幾何中心點b5之間的中心線（也稱為中弧線）的長度。如圖20所示的驅動單元的形狀與圖18所示的驅動單元的形狀相同，其區別為圖20所示的驅動裝置100為圓形，而圖18所示的驅動裝置100為正六邊形。該驅動單元110的等效長度
可以等於其固定端111的幾何中心點a6到振動輸出端113的幾何中心點b6之間的中心線的長度。如圖21所示的驅動單元的形狀與圖19所示的驅動單元的形狀相同，其區別為圖21所示的驅動裝置100為圓形，而圖19所示的驅動裝置100為正六邊形。該驅動單元110的等效長度
可以等於其固定端111的幾何中心點a7到振動輸出端113的幾何中心點b7之間的中心線的長度。需要說明的是，圖15至圖17所示的驅動裝置100的其他結構（例如增強層130與襯底層140的厚度比、增強層130的結構等）可以參照本說明書其他地方（例如，圖2至圖14及其相關描述），在此不再贅述。
本說明書的實施例還提供一種聲學輸出裝置，其包括上述的驅動裝置100。
本說明書的實施例提出的驅動裝置可能帶來的有益效果包括但不限於：（1）通過對增強層與壓電層的厚度進行設計，以使整個壓電層位於樑狀結構的中性面的同一側，以增大樑狀結構彎曲時壓電層產生的張應力（或壓應力）導致的伸長（或壓縮）變形，提升驅動單元的輸出能力；（2）通過將一或多個增強部件中至少一個增強部件佈置在靠近振動輸出端並且在延伸方向上其尺寸不超過振動輸出端到固定端的距離的二分之一，可以使增強層對壓電層產生的負載較小，從而進一步提升驅動單元的輸出能力；（3）當驅動單元包括第一增強部件和第二增強部件時，通過將第一增強部件佈置在靠近振動輸出端的位置，且將第二增強部件佈置在靠近固定端的位置，可以在提升驅動單元的可靠性的同時，減小壓電層的負載，從而提升驅動單元的性能；（4）當一或多個增強部件包括在延伸方向上間隔佈置的多個增強部件時，通過將多個增強部件沿延伸方向按照尺寸先減小、後增大的方式佈置，可以在提升驅動單元的可靠性的同時，減小壓電層的負載，且減小對樑狀結構的中間應變較大的區域的變形約束，從而減小樑狀結構的變形阻力，增強驅動單元110的變形能力，進而提升驅動單元的輸出能力；（5）至少一個增強部件包括沿垂直于樑狀結構延伸方向間隔佈置的多個子增強部件的設置，可以在對驅動單元的中性面位置造成盡可能小的影響的條件下，進一步減輕壓電層120的負載，從而提升驅動單元的輸出性能；（6）驅動單元的樑狀結構的朝順時針或逆時針方向彎曲的螺旋結構的設置，可以增大樑狀結構的等效長度，從而提升驅動單元的輸出性能。需要說明的是，不同實施例可能產生的有益效果不同，在不同的實施例裡，可能產生的有益效果可以是以上任意一種或幾種的組合，也可以是其他任何可能獲得的有益效果。
上文已對基本概念做了描述，顯然，對於所屬技術領域中具有通常知識者來說，上述詳細揭露內容僅僅作為示例，而並不構成對本發明的限定。雖然此處並沒有明確說明，所屬技術領域中具有通常知識者可能會對本發明進行各種修改、改進和修正。該類修改、改進和修正在本發明中被建議，所以該類修改、改進、修正仍屬於本發明示範實施例的精神和範圍。
100:驅動裝置
110:驅動單元
111:固定端
113:振動輸出端
120:壓電層
130:增強層
132:第一增強部件
132-1:子增強部件
132-2:子增強部件
134:第二增強部件
134-1:子增強部件
134-2:子增強部件
134-3:子增強部件
134-4:子增強部件
136:增強部件
136-1:子增強部件
136-2:子增強部件
136-3:子增強部件
136-4:子增強部件
138:增強部件
140:襯底層
150:振動傳遞單元
160:彈性連接件
170:固定部件
a1:幾何中心點
a2:幾何中心點
a3:幾何中心點
a4:幾何中心點
a5:幾何中心點
a6:幾何中心點
a7:幾何中心點
b1:幾何中心點
b2:幾何中心點
b3:幾何中心點
b4:幾何中心點
b5:幾何中心點
b6:幾何中心點
b7:幾何中心點
c1:幾何中心點
c2:幾何中心點
c3:幾何中心點
h:距離
h
1:距離
h
2:距離
h
3:距離
L1:線段
l
d:距離/尺寸
l
pi:尺寸
l
po:尺寸
m:曲線
n:曲線
o:曲線
o1:幾何中心點
R0:中心點
R1:中心點
t
1:厚度
t
2:厚度
t
3:厚度
w:寬度
w
g1:間隔尺寸
w
g2:間隔尺寸
本說明書將以示例性實施例的方式進一步說明，這些示例性實施例將通過附圖進行詳細描述。這些實施例並非限制性的，在這些實施例中，相同的編號表示相同的結構，其中：
[圖1]係根據本發明的一些實施例所示的示例性驅動裝置的結構框圖；
[圖2]係根據本發明的一些實施例所示的示例性驅動單元沿垂直于其樑狀結構延伸方向的截面示意圖；
[圖3]係根據本發明的一些實施例所示的示例性驅動單元彎曲振動變形時沿垂直于其樑狀結構延伸方向的截面示意圖；
[圖4]係根據本發明的一些實施例所示的對應於不同襯底層與增強層的總厚度與壓電層的厚度的比值的驅動單元應用于揚聲器時揚聲器的頻響曲線；
[圖5]係根據本發明的一些實施例所示的示例性驅動裝置的示意圖；
[圖6]係圖5中的驅動裝置的A-A截面示意圖；
[圖7]係根據本發明的一些實施例所示的壓電層沿驅動單元的樑狀結構延伸方向的應變曲線示意圖；
[圖8]係根據本發明的一些實施例所示的示例性驅動裝置的部分結構的示意圖；
[圖9]係圖8中驅動裝置的B-B截面示意圖；
[圖10]係根據本發明的一些實施例所示的示例性驅動裝置的部分結構的示意圖；
[圖11]係根據本發明的一些實施例所示的示例性驅動裝置的部分結構的示意圖；
[圖12]係根據本發明的一些實施例所示的示例性驅動裝置的部分結構的示意圖；
[圖13]係圖12中驅動裝置的C-C截面示意圖；
[圖14]係根據本發明的一些實施例所示的示例性驅動裝置的部分結構的示意圖；
[圖15]係根據本發明的一些實施例所示的示例性驅動裝置的另一些結構示意圖；
[圖16]係根據本發明的一些實施例所示的示例性驅動裝置的另一些結構示意圖；
[圖17]係根據本發明的一些實施例所示的示例性驅動裝置的另一些結構示意圖；
[圖18]係根據本發明的一些實施例所示的示例性驅動裝置的另一些結構示意圖；
[圖19]係根據本發明的一些實施例所示的示例性驅動裝置的另一些結構示意圖；
[圖20]係根據本發明的一些實施例所示的示例性驅動裝置的另一些結構示意圖；
[圖21]係根據本發明的一些實施例所示的示例性驅動裝置的另一些結構示意圖。
100:驅動裝置
110:驅動單元
120:壓電層
130:增強層
132:第一增強部件
134:第二增強部件
136:增強部件
140:襯底層
150:振動傳遞單元
160:彈性連接件
Claims (10)
- 一種驅動裝置，包括一或多個驅動單元，每個驅動單元具有樑狀結構，所述樑狀結構包括振動輸出端和固定端，並且從所述固定端向所述振動輸出端延伸，每個驅動單元包括：壓電層，用於回應於電信號而使所述驅動單元從所述振動輸出端輸出振動；以及增強層，所述增強層與所述壓電層沿所述樑狀結構的厚度方向設置，其中，所述增強層包括在所述樑狀結構的延伸方向上佈置的一或多個增強部件，所述一或多個增強部件中至少一個增強部件靠近所述振動輸出端佈置並且在所述延伸方向上，其尺寸不超過所述振動輸出端到所述固定端的距離的二分之一。
- 如請求項1之驅動裝置，其中，所述一或多個增強部件包括第一增強部件和第二增強部件，所述第一增強部件佈置在靠近所述振動輸出端的位置，所述第二增強部件佈置在靠近所述固定端的位置。
- 如請求項2之驅動裝置，其中，所述第一增強部件沿所述延伸方向的尺寸與所述振動輸出端到所述固定端的距離的比值在0.05-0.3範圍內，或者所述第二增強部件沿所述延伸方向的尺寸與所述振動輸出端到所述固定端的距離的比值在0.05-0.25範圍內。
- 如請求項1之驅動裝置，其中，所述一或多個增強部件包括在所述延伸方向上間隔佈置的多個增強部件，並且兩個相鄰增強部件在所述延伸方向上的間隔距離在20-200μm範圍內；所述多個增強部件沿所述延伸方向按照尺寸先減小、後增大的方式佈置。
- 如請求項4之驅動裝置，其中，佈置在距所述振動輸出端距離為第一距離的範圍內的增強部件沿所述延伸方向的尺寸在50-400μm範圍內，其中，所述第一距離等於所述振動輸出端到所 述固定端距離的1/5；佈置在距所述振動輸出端距離在所述第一距離至第二距離的範圍內的增強部件沿所述延伸方向的尺寸在20-200μm範圍內，其中，所述第二距離等於所述振動輸出端到所述固定端距離的2/5；佈置在距所述振動輸出端距離在所述第二距離至第三距離的範圍內的增強部件沿所述延伸方向的尺寸在20-100μm範圍內，其中，所述第三距離等於所述振動輸出端到所述固定端距離的14/15；以及佈置在距所述振動輸出端距離在所述第三距離以上的增強部件沿所述延伸方向的尺寸在50-400μm範圍內。
- 如請求項1之驅動裝置，其中，所述一或多個增強部件中的至少一個增強部件包括沿垂直於所述延伸方向間隔佈置的多個子增強部件。
- 如請求項1之驅動裝置，其中，每個驅動單元還包括：襯底層，所述襯底層位於所述壓電層與所述增強層之間，其中，所述增強層與所述襯底層的總厚度與所述壓電層的厚度的比值在3-20範圍內；所述增強層的厚度與所述襯底層的厚度的比值在0.5-2.5範圍內；所述襯底層覆蓋所述一或多個驅動單元之間的縫隙。
- 如請求項1之驅動裝置，其中，所述多個驅動單元中兩個相鄰驅動單元之間的縫隙寬度小於25μm。
- 如請求項1至8中任一項之驅動裝置，其中，所述一或多個驅動單元的所述樑狀結構具有朝順時針或逆時針方向彎曲的螺旋結構。
- 一種聲學輸出裝置，所述聲學輸出裝置包括如請求項1至9中任一項之驅動裝置。
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| TWI843481B true TWI843481B (zh) | 2024-05-21 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20180249256A1 (en) | 2016-11-14 | 2018-08-30 | USound GmbH | Mems loudspeaker having an actuator structure and a diaphragm spaced apart therefrom |
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20180249256A1 (en) | 2016-11-14 | 2018-08-30 | USound GmbH | Mems loudspeaker having an actuator structure and a diaphragm spaced apart therefrom |
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