专利名称：：压电致动器、声学部件、以及电子装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种用于使用压电元件产生振动的压电致动器，以及采用这种压电致动器的声学部件和电子装置。
背景技术：
：目前，使用电磁致动器作为声学部件例如扬声器的驱动源。电磁致动器包括永磁体和音圈，并且通过含有磁体的定子的磁路的动作来产生振动。通过振动固定在电磁致动器的振动体上的低刚性振动板，例如，有机薄膜等，电磁扬声器发出声音。近年来，对便携式电话和个人计算机的需求逐渐增大，因此也增加了对小而节能的致动器的相应需求。要求电磁致动器提供给音圈较大的电流以便产生电磁力。因此，电磁致动器作为节能装置存在问题。电磁致动器结构上不适于做小和做薄。此外，如果电磁致动器被并入电子装置中，它需要被电磁屏蔽以避免由从音圈泄漏的磁通量而引起的有害效果。电磁屏蔽使得电磁致动器不适于用在小型电子装置例如便携式电话等内。试图减小电磁致动器的尺寸会导致具有较大电阻值的薄型音圈导线，这易于引起音圈烧断。考虑到上述问题，研发一种具有压电元件的压电致动器作为驱动源。该压电致动器具有尺寸小、重量轻、节能且无漏磁通的特征，这使其可以用作薄型振动部件来代替电磁致动器。该压电致动器的结构包括互相接合的压电陶瓷材料(也简称为"压电元件")和底板。该压电致动器根据压电元件的工作的动作来产生机械振动。参考图31和32描述压电致动器的基本结构。图31是示出了现有技术的压电致动器的结构的透视图，图32是示意性示出了图31所示的压电致动器的振动方式的截面图。如图31所示，压电致动器550包括由压电陶瓷制成的压电元件510，压电元件510固定于其上的底板524、以及支撑底部524外圆周部分的支撑构件527。当交流电压施加到压电元件510上时，压电元件510伸展和收縮。如图32所示，根据压电元件510的伸展和收縮动作，底板524变形为凸起模式(以实线表示)和凹入模式(以虚线表示)。如图所示，底板524垂直振动，同时与支撑构件527接合的结点524a充当固定端，其中心区域充当运动区域。尽管压电致动器可以有利地减小尺寸和厚度，但是在声学部件性能方面它不如电磁致动器。这是因为压电元件本身的刚性较大，而且与电磁致动器相比压电致动器不能提供足够大的平均振幅。如果致动器的振幅小，则声学部件的声压也较小。JP-ANo.2000-140759公开了一种使用相对易于变形的横梁来支撑底板的外圆周部分以产生较大振幅的技术。JP-ANo.2001-17917公开了一种在底板的外围部分上沿其圆周边缘形成切口来提供板簧以便产生较大振幅的技术。以下参考图33简要描述上述技术。图33示出了JP-ANo.2000-140759所公开的压电致动器的结构。支撑压电元件610的底板624的外圆周部分和支撑构件627通过横梁630互相连接。这种结构允许振动体较大地振动。
发明内容本发明所要解决的技术问题与图31所示的底板524的整个外圆周部分固定于其上的结构相比，JP-ANo.2000-140759所公开的结构产生了较大的振幅。但是，如果振幅增大了，则必须增加横梁的冲程，而所增加的横梁冲程必然导致较大的致动器尺寸。JP-ANo.2000-140759所公开的压电致动器用作蜂窝电话的振动体，并且没有考虑其它应用，例如用作复制音乐的扬声器等等。如果压电致动器仅用作振动体，则可以简单地增加其声压。如果压电致动器用作扬声器，则需要考虑包含其频率特性在内的压电致动器的振动模式。以下参考图34描述振动模式。图34A示出了电磁致动器的振动模式，其是一种活塞型振动模式，其中振动部分垂直平均振动。图34B示出了普通压电致动器的振动模式，其是一种弯曲运动的振动模式，其中中心区域的振幅最大。为了提高声学部件的频率特性，希望压电致动器的振动模式最大可能地接近活塞型振动模式。尽管提高了振幅，但是JP-ANo.2000-140759所公开的结构基本上产生弯曲运动。这也适用于JP-ANo.2001-17917。并且，根据JP-ANo.2001-17917所公开的结构，由于横梁沿圆周形成(由于横梁没有径向延伸)，所以底板有可能在工作中引起旋转运动。如果这种压电致动器用作声学部件，则可能会出现例如声音失真的问题。鉴于上述问题，提出本发明。本发明的目的是提供一种压电致动器，在用作声学部件时可以产生较大的声压和较好的频率特性，并且可以有利地减小尺寸，以及一种采用这种压电致动器的声学部件和电子装置。解决问题的技术方案根据本发明的压电致动器包括压电元件、底板和多个横梁。压电元件具有两个相对的主表面并且根据电场的状态伸展和收縮以引起所述主表面扩大或收縮。底板由可伸展的材料制成，其中所述主表面之一置于所述底板。提供横梁的横梁部件具有连接到所述底板外圆周部分的端部以及连接到支撑构件的其它端部。当所述压电元件伸展和收缩时所述底板可沿所述压电元件的横向方向振动。每一个所述横梁部件包括从所述底板的外圆周部分向外延伸的延伸部分和接合并且延伸过所述延伸部分的直立部分。在根据本发明的压电致动器中，横梁不是直的而是弯曲的。由于弯曲横梁的冲程较长，所以致动器的外形尺寸不会因为横梁冲程增加而增加。由于弯曲横梁的冲程较长，所以压电致动器产生了足够的振幅，当压电致动器用于声学部件中时，有助于增加声压。根据本发明的压电致动器具有根据延伸部分的弯曲运动和直立部分的枢轴旋转运动而可振动的振动组件。因此，压电致动器的振动模式比现有技术中的横梁简单地直线延伸的结构更接近活塞型模式(电磁致动器的振动模式)。在本发明中，底板和横梁部件构造成集成部件。压电元件是圆形形状或者正方形形状。两个压电元件分别被设置在所述底板的两侧上，提供双晶压电元件。压电元件可以是包括交替堆叠到一起的压电材料层和电极层的层叠结构。根据本发明的配置，特别是，直立部分和延伸部分优选以从9(T到150°变动的角度互相交叉延续。延伸部分或者直立部分包括弯曲部分，弯曲部分被包含在直立部分中并且具有与延伸部分的端部对齐的端部。换句话说，压电致动器还包括接合并且交叉直立部分延续的另一个延伸部分，该另一延伸部分具有连接到支撑构件的端部。根据本发明的声学部件包括上述压电致动器、以及接合到该压电致动器的压电元件、底板或延伸部分的至少一部分的振动膜，其中声学部件在振动膜被用作驱动源的压电致动器驱动时产生声音。根据本发明的电子装置，包含这种声学部件或者上述压电致动器。本发明的优点通过根据本发明的压电致动器，由于横梁的冲程充分，当在声学部件中并入压电致动器时，有可能产生较高的声压。由于横梁不是直的，而是弯曲的，因此，振动模式接近活塞型模式。因此，声学部件具有较好的频率特性。如此构造的横梁有效地增加了冲程而不必要增加压电致动器的外形尺寸。图1是示出了根据第一示例性实施例的压电致动器的结构的透视图；图2是示出了图1所示的压电致动器的工作过程的方框图；图3是示出了作为实例的现有技术的压电致动器的截面图；图4是示出了根据第二示例性实施例的压电致动器的结构的截面图；图5是示出了根据第三示例性实施例的压电致动器的结构的透视图'，图6是示出了根据第四示例性实施例的压电致动器的结构的平面图；图7是示出了根据第五示例性实施例的压电致动器的结构的平面图；图8是示出了根据第六示例性实施例的压电致动器的结构的透视图；图9是示出了根据第七示例性实施例的压电致动器的结构的截面图.'图10是示出了根据第八示例性实施例的压电致动器的结构的截面图；图11是示出了压电元件的另一结构实例的透视图；图12是示出了根据第九示例性实施例的声学部件的结构的截面图；图13是表示振动模式和振速的比率的框图；图14是表示用于测量平均振速幅度的测量点的框图；图15A是示出了根据发明实例1的压电致动器的结构的平面图；图15B是示出了根据发明实例1的压电致动器的结构的截面图；图16A是示出了根据比较实例1的压电致动器的结构的平面图；图16B是示出了根据比较实例1的压电致动器的结构的截面图；图17A是示出了根据发明实例2的压电致动器的结构的平面图；图17B是示出了根据发明实例2的压电致动器的结构的截面图；图18是示出了根据发明实例3的压电致动器的结构的截面图；图19是示出了根据发明实例4的压电致动器的结构的视图；图20A是示出了根据发明实例5的压电致动器的结构的平面图；图20B是示出了根据发明实例5的压电致动器的结构的截面图；图21是示出了发明实例6A的结果的图表；图22是示出了根据发明实例7的压电致动器的结构的截面图；图23是示出了根据发明实例8的压电致动器的结构的截面图；图24是示出了包含根据本发明的压电致动器的蜂窝电话的实例的前正视图；图25是示出了根据比较实例4而制备的现有技术的声学部件的结构的截面图；图26是示出了根据发明实例9、10和比较实例3、4的声学部件的频率特性的图表；图27是示出了根据发明实例12的压电致动器的结构的截面图，该视图仅示出弹性体；图28是示出了距离X、谐振频率和最大振速幅度之间的关系的图表，作为发明实例12的证明结果；图29是示出了根据发明实例13的压电致动器的结构的截面图，该视图仅示出弹性体；图30是示出了根据发明实例14的压电致动器的结构的截面图，该视图仅示出弹性体；图31是示出了现有技术的压电致动器的结构的透视图；图32是结构性示出了图31所示的压电致动器的振动模式的截面图；图33是示出了根据现有技术的另一压电致动器的结构的透视图；图34A是表示压电致动器的振动模式的框图，示出了电磁致动器的振动模式；以及图34B是表示压电致动器的振动模式的框图，示出了普通压电致动器的振动模式。附图标记的描述10，10A压电致动器11，UA，IIB，11C上电极层12压电板13下电极层14电极层24，24A底板27，27A支撑构件27a外圆周壁30，30A横梁35，35A延伸部分35b拉伸部分36直立部分36a固定端37弯曲部分38延伸部分50-57压电致动器61振动膜70声学部件具体实施方式以下参考附图描述本发明的示例性实施例。(第一示例性实施例)图1是示出了根据本发明示例性实施例的压电致动器的结构的透视图。如图1所示，根据本发明示例性实施例的压电致动器50包括具有两个相对主表面(所示的上和下表面)的压电元件10、支撑其上的压电元件10的底板24、安装于底板24的外圆周部分上的四个横梁30、以及通过横梁30支撑底板24和固定于其上的压电元件10的支撑构件27。尽管使用中压电致动器50不限于任何特定形态，但是为了举例说明的目的下文根据图1所示的形态进行描述。在图1中，横向方向表示水平方向，垂直方向代表高度方向。底板24和之后描述的延伸部分35提供了一水平面。压电元件io具有由压电陶瓷制成的压电板12，并且上电极层11和下电极层13被分别设置在压电板12的相对主表面上。压电板12具有在平面内的角度看去的矩形轮廓，并且沿由图1中的空白箭头所示的厚度方向极化。当交流电施加到上电极层11和下电极层13之间以产生交流电场时，压电元件IO伸展和收缩以便使其主表面扩大或者收縮。底板24由弹性体(可伸展的材料)制成并且具有与压电板12的轮廓相同的轮廓。底板24可以由很宽范围的材料中的任何一种制成，该材料的刚性低于压电元件的陶瓷材料，例如金属材料(例如，铝合金、磷青铜、钛、或者钛合金)或者树脂材料(例如，环氧树脂，丙稀、聚酰亚胺、或者聚碳酸酯)。压电元件10的下电极层13固定到底板24的上表面，以至于底板24限制压电元件10。压电元件10和底板24可以通过环氧树脂粘合剂相互接合。支撑构件27包括中心开口的框架式部件，并且具有横梁30的各个端部与其相连的侧边。支撑构件27可用作压电致动器的外壳，并且可以由树脂材料或者金属材料制成。在图1中，所示的支撑构件27包括片状部件。事实上，支撑构件27具有某种厚度。如果支撑构件27的厚度太小，则支撑构件27的刚性会减小以使支撑构件27易于变形。如上所述，支撑构件27使用横梁支撑压电元件10等。因此，为了不阻碍压电元件10等的振动，支撑构件27需要由具有某种刚度且耐振动的材料制成。横梁30被设置在底板24的外圆周部分的各个侧边的每一个上。每个横梁30包括在与底板相同的平面(水平面)上从底板24直线向外延伸的延伸部分35以及与延伸部分35相接合且从延伸部分35直角弯曲的直立部分36。直立部分36具有固定到支撑构件27的端部。可以以不同的部分构造底板24和横梁30。但是，从可以易于制造它们的观点来看，例如通过将一个片状部件冲裁成预定形状并且弯曲该坯料，可以将它们构造成集成整体部件。为了避免底板24和横梁30波动，底板24具有正方形形状并且横梁30的形状彼此相同是有效的。以下参考图2描述根据本发明的示例性实施例的用于产生压电致动器的振动的这样构造的机制。图2在(b)中示出了不对压电元件IO施加电压的中性状态。当预定电压施加到压电致动器时，压电元件10的面积减小，如图2在(a)中所示。由于压电致动器10的下表面被底板24限制，所以压电元件10的上和下表面以不同量变形，导致所示的凹入变形模式。当压电元件10收縮时，底板24本身也会轻微地收縮。由于底板24收縮，所以直立部分36的上端被向内拉伸，以至于直立部分36绕其固定端36a枢轴转动。当将与上述电压相反的电压施加到压电元件10时，压电元件10的面积扩大，如图2在(c)中所示。由于底板的限制效应，压电元件IO的上和下表面以不同量变形，导致所示的凸起变形模式。当底板24伸展时，直立部分36的上端被向外推出，以至于直立部分36向外枢轴转动。根据本发明的示例性实施例的压电致动器50交替重复凹入变形模式和凸起变形模式，引起底板24、延伸部分35、以及压电元件10(下文通称为"振动体组件")垂直振动。根据本发明的示例性实施例，尽管横梁不是直的，而是弯曲的，但是横梁整体具有足够的冲程。因此，压电致动器可以产生足够的振幅，而不需要增加其尺寸。如果将这种可以产生较大振幅的压电致动器作为声学部件，则可以增加声压。较长的横梁冲程意味着横梁的表面刚性减小。由于以下几个原因，横梁刚性的减小导致谐振频率降低，因而提高了声学部件的频率特性-正常情况下，对于声学部件而言以低于谐振频率fo的频率产生声音是相当难的。因此，通常习惯使用处于高于谐振频率fo的频率范围内的声音作为可再现的声音。如果由压电致动器的结构所决定的谐振频率fo处于高频带(例如1500Hz)下，则声学部件可以以高于1500Hz的频带产生声音。因此，为了将处于宽频带下的音乐在蜂窝电话等上再现，将谐振频率f。设定为较低的频率是重要的。将音乐在蜂窝电话等上再现所需要的频带应当优选地从1000到3000Hz的范围。因此，谐振频率fo等于或低于1000Hz的压电致动器适于使用在蜂窝电话等中。特别是，根据本示例性实施例的可有利地减小尺寸的致动器具有非常大的潜力。如图2所示，根据本示例性实施例的压电致动器的振动体组件根据延伸部分35和底板24的弯曲运动和直立部分36的枢轴旋转运动来振动。因此，压电致动器的振动模式比现有技术中横梁冲程简单延长的结构更类似枢轴旋转型。根据本示例性实施例的压电致动器50就以下几个方面不同于根据现有技术(JP-ANo.61-114216)的弹性体的波纹式波形结构压电致动器原本是用于传送力的连接到负载的机械装置。图3所示的根据现有技术的波形结构731降低了刚性，不能将压电元件710产生的力传送到支撑构件727，并且由于空气阻力大大降低了波形结构731的振动量。正如从图2中所看到的，根据本发明的压电致动器的一个重要方面是延伸部分35的拉伸位置35b(其表示延伸部分35和底板24之间的分界线)和固定端36a没有位于同一水平面内。另外说明，重要的是以不同高度设置拉伸位置35b和固定端36a。但是，对于图3所示的结构，波形结构731的拉伸位置731b和固定端731a处于同一水平面内。根据这种结构，在压电元件伸展和收縮时所产生的力被波形机构吸收，压电致动器不能产生较大的振幅。根据本发明，如上所述，拉伸位置35b和固定端36a没有位于同一水平面内，以用于有效地将压电元件所产生的力转化为振动。这种特性也适用于之后描述的其它示例性实施例。在第二到第九示例性实施例的每一个中，拉伸位置和固定端都没有位于同一水平面内。除此之外，根据本示例性实施例的压电致动器还提供以下优点通过改变横梁的材料特性、数目和形状，可易于调节压电致动器的振动特性。特别是，由于可以在不改变压电致动器外壳尺寸(支撑构件的尺寸)的情况下调节横梁的冲程，所以可以使用支撑构件作为公共部分，并且有效地降低了制造成本。目前，可以通过将压电元件变薄来降低压电致动器的谐振频率。根据本发明，即使压电元件相对较厚，也可通过改变横梁冲程来降低谐振频率。通常，由于当烧制陶瓷时薄形压电元件容易爆裂并且在处理时它容易破裂，所以它具有高制造成本。根据本发明，由于不需要制备这种薄形压电元件，所以可以降低制造成本。根据本发明的压电致动器可以用作小型游戏装置以及蜂窝电话和笔记本个人电脑的振动源或者声源。使用陶瓷压电元件的压电致动器的缺点在于压电元件在跌落时易于破裂。当使用上述便携式电子装置时，使用者经常错误地将其跌落。因此，认为压电致动器不适于用作便携式装置中。但是，在根据本发明的压电致动器中，由于压电元件固定到由横梁支撑的底板上，即使当压电致动器跌落时，震动也会由于横梁变形而被其吸收，因此压电元件不易破裂。因此，根据本发明的压电致动器可以适用于便携式装置。(第二示例性实施例)根据本发明的压电致动器不限于上述示例性实施例，而是可以如图4所示那样构造。图4所示的压电致动器51与根据第一示例性实施例的结构的不同之处在于压电元件10的位置发生改变，即压电元件10被安装在底板24的下表面。通过这种结构，当压电元件10伸展或收縮时，底板24的面积增加或减小，引起振动体组件以与上述示例性实施例相同的方式垂直振动。根据本示例性实施例的支撑构件27在其侧边边缘具有外圆周壁27a，尽管这不是与上述示例性实施例的本质不同点。优选地在直立部分36和外圆周壁27a的内表面之间提供间隙L,。由于参考图2正如上面所述的那样直立部分36绕固定端36a进行枢轴转动，所以如果没有提供间隙L,，那么直立部分36容易干扰外圆周壁27a，阻碍振动运动。(第三示例性实施例)根据本发明的压电致动器不限于上述示例性实施例，而是可以如图5所示那样构造。图5所示的压电致动器52釆用圆形压电元件IO并因此釆用圆形底板24A。其它结构细节与第一示例性实施例相同。压电致动器10A的结构与第一示例性实施例的结构没有不同之处，包括分别位于压电板上和下表面上的上电极层和下电极层。由于压电元件10a是圆形的，所以根据本示例性实施例的结构具有以下优点由于圆形元件伸展和收縮(直径增加的运动)时的能量效率比矩形元件高，所以当施加相同电压时，根据本示例性实施例的结构会产生较大的驱动力。当将较大的驱动力传送到横梁时，压电致动器的振动量增加。由于从圆形元件的中心到外围边缘的距离是恒定的，所以振动传播到横梁时所产生的应力被均匀散布，从而增加了能量效率并且增加了振幅。如果考虑到由装置形状所产生的作用和优点，则压电元件和周围结构应该优选地是非常对称的。特别是，压电致动器应该优选地具有非常对称的圆形形状。即使压电致动器具有矩形形状，只要接近正方形形状，它也是相当对称的，并且可以产生具有较好能量效率的振动。(第四示例性实施例)根据本发明的压电致动器不限于上述示例性实施例，而是可以如图6所示那样构造。图6所示的压电致动器采用与第一示例性实施例相同的矩形压电元件，但是具有形状不同于底板24的延伸部分35A。特别是，延伸部分35A的尺寸与底板24相同。通过切除单个片状部件的拐角并且弯曲延伸部分35A的顶端，可以制造出包括底板24和四个横梁的整体组件的弹性体。但是，本示例性实施例不限于这种弹性体。对于根据本发明构造的压电致动器53，当压电元件伸展和收縮时，底板24的面积增加和减小，引起振动体组件如同第一示例性实施例那样垂直振动。(第五示例性实施例)根据本发明的压电致动器不限于上述示例性实施例，而是可以如图7所示那样构造。如图7所示的压电致动器54与根据第一示例性实施例的结构的不同之处在于支撑构件27的形状发生改变，即支撑构件27具有圆形轮廓。其它结构细节与第一示例性实施例相同。在图7中，支撑构件27A与横梁连接的部分从空心圆柱部件的内圆周壁的部分(四个部分)向内突出。但是，本发明不限于这种结构。横梁可以直接连接到用作空心圆周部件的支撑构件。(第六示例性实施例)根据本发明，横梁结构对于增加振动体组件的振幅并且控制振动模式较为重要。横梁不限于上述示例性实施例，而是可以如图8所示那样构造。图8所示的压电致动器具有设置在直立部分36和延伸部分35之间的弯曲部分37。弯曲部分37包括向外半圆地弯曲的直立部分36的上部分，并且具有与延伸部分35的端部对齐的端部。弯曲部分37不限于任何位置只要它们是横梁的部分，但是可以被设置在延伸部分35上。(第七示例性实施例)根据本发明的压电致动器可以具有图9所示的结构。图9所示的压电致动器包括与直立部分36的下端接合且垂直延伸到直立部分36的延伸部分38。可以通过将直立部分36的下部分向外弯曲而形成延伸部分38。延伸部分38具有用作固定到支撑构件的固定端38a的端部。如此构造的压电致动器56基本上以与图2所示的第一示例性实施例相同的方式垂直振动。特别是，当在图9的(b)中所示的中性状态下将预定电压施加到压电元件10时，压电致动器进入凹入变形模式，同时延伸部分38进行如图9的(a)中所示的枢轴旋转运动。当施加相反电压时，压电致动器进入图9的(c)中所示的凸起变形模式。压电致动器重复该两种模式以便引起振动体组件垂直振动。为了构造根据本示例性实施例的压电致动器，横梁可以具有多个弯曲部分。重要的是，拉伸部分35b和固定端38a没有位于同一水平面内。(第八示例性实施例)上面已经描述了将压电元件固定到底板一个表面上的实施例。根据本发明的压电致动器可以采用图IO所示的双晶压电元件。图10所示的压电致动器57具有压电元件IIA、11B分别设置在底板24上和下表面上的层叠结构。如图IO中的箭头表示的那样，压电元件IIA、11B以相反方向极化。当交流电压施加到每个压电元件上时，它们中的一个伸展而另一个收縮，由于每个压电元件和底板24之间的限制效应而引起垂直弯曲振动。另外说明，根据本示例性实施例，双晶压电元件单独产生弯曲运动。与上述采用单个压电元件的结构相比，这种结构可以产生较大的驱动力。压电元件本身可以具有层叠结构。以下参考图11描述具有层叠结构的压电元件。如图11所示，压电元件11C具有多层结构，该多层结构包括由压电材料制成的压电板12a到12e的五个层叠层，同时每个电极层14a到14d被设置在相邻的压电板之间。相邻的压电板被以相反方向极化，并且它们被配置以使得电场以相反方向交替定向。由于这种结构增加了电极层之间的场密度，所以根据层叠压电板的数量总体上增加了由压电元件所产生的驱动力。(第九示例性实施例)以下参考图12描述根据本发明的声学部件的一个实例。图12所示的声学部件70包括图4所示的压电致动器51和应用于压电致动器51上表面的振动膜61。特别是，振动膜61具有底板24上表面上所支撑的中心部分和固定到支撑构件外圆周壁27a的上端的外围部分。振动膜61有效抑制了谐振频率附近的剧烈振动的变化，并且产生一种具有平滑声压/频率特性的声学部件，如扬声器，接收机等。振动膜61可以由纸或者有机薄膜例如聚对苯二甲酸乙二醇酯制成。如果振动膜61由绝缘的基材料例如有机薄膜制成，则通过电镀等可以在基材上形成用于连接到压电元件10的金属互连部分，并可将其用作电终端引线。由于使得电极材料不具有导电性，所以增加了可靠性。如果将振动膜应用于具有不同谐振频率的多个压电致动器上，且将组件并入电子装置中，则对于低声压的频带而言可以互相弥补，并且电子装置可以在整个宽频率范围中产生高声压。如果压电元件位于底板24的上表面，则可以将振动膜应用于压电元件的一部分上。可选择的是，振动膜的一部分可以和底板的一部分或者延伸部分相互接合以引起振动膜振动。实例根据发明实例1至12和比较实例l至4评价根据本发明的压电致动器的特性以确认本发明的优点。评价项目如下所示。(评价1)谐振频率的测量数当输入1V交流电压时测量谐振频率。(评价2)最大振速幅度当输入1V交流电压时测量的最大振速幅度Vmax(参见图13)。(评价3)平均振速幅度测量在压电元件IO上表面上沿横向均匀间隔的20个测量点处的振速幅度，并计算其平均值。(评价4)振动模式如图13所示，"振速比率"被定义为平均振速幅度/最大振速幅度，并且根据振速比率值确定振动模式。特别是，由于压电元件在振动速率较小时进行如图13(a)所示的弯曲运动(凸起型运动)，并且压电元件在振速比率较大时进行如图13(b)所示的往复运动(活塞型运动)，所以在发明实例中使用振速比率二0.8作为阈值，并且判定压电元件在振速比率小于0.8时进行弯曲运动而在振速比率大于等于0.8时进行活塞型运动。(评价5)声压的测量当输入1V交流电压时，使用设置在距离该装置10cm处的麦克风来测量lkHz的声压。(评价6)下落碰撞实验进行下落碰撞能力实验，其中从50cm高度通过重力使包含压电致动器的蜂窝电话下落五次。在该实验后，视觉确认损坏(破裂等)，并且测量声压级。(发明实例1)根据发明实例1制造如图15A和15B所示的具有置于底板24下表面的压电元件10的压电致动器。具体结构如下所示压电元件在外形-边长为10mm的正方形、厚度二0.5mm的压电板的各个表面上形成上和下电极层(压电材料层，参看图1)，其每个具有8um的厚度。弹性体厚度为0.05的弹性体由磷青铜制成。"弹性体"指的是包括底板、延伸和直立部分的集成结构体。横梁直立部分高度二1.0mm，延伸部分长度-2.0mm，横梁宽度4.0mm，以及横梁弯曲角度=90°。支撑构件外形=直径为i7mm的圆形，厚度二1.55mm，间隙L,二1.0m，以及材料二SUS304。压电板由锆酸盐铅钛酸盐陶瓷制成，电极层由银/钯合金(重量比70%:30%)制成。通过在空气中在IIO(TC下烘烤绿片2小时并且之后极化压电材料层来制造压电元件。使用环氧树脂粘合剂将压电元件与弹性体的底板粘贴到一起。结果谐振频率二635Hz最大振速幅度二260mm/s振速比率=0.84振动模式=活塞型运动从上面描述可知，可以证实，根据本发明实例的压电致动器具有较低的谐振频率和较大振幅。振速比率为0.84且振动模式为活塞型模式。(比较实例1)根据比较实例1制造现有技术的压电致动器，该压电致动器如图16A和16B所示没有横梁。根据比较实例1，压电元件510A、510B被应用于底板24的各个表面上，具有双晶结构。尽管压电元件具有相同的外形，但是它们以相反方向极化。具体结构如下所示压电元件在外形=直径为16mm的圆形，厚度二0.5mm。压电元件的外圆周部分接合到支撑构件。底板厚度为0.3mm，由磷青铜(金属板)制成。横梁无。支撑构件外形二直径为17mm的圆形，厚度二2.3mm。。结果谐振频率二1498Hz最大振速幅度二42mm/s振速比率=0.37振动模式=弯曲运动。(发明实例2)根据发明实例2制造如图17A和17B所示的压电致动器。该压电致动器与根据发明实例1的压电致动器的不同之处在于横梁30的结构不同。横梁具有如图8所示的弯曲部分37。其它结构细节与根据发明实例1的压电致动器相同。具体结构如下所示压电元件与发明实例l相同。弹性体与发明实例l相同。横梁直立部分高度-1.0mm，延伸部分长度(包括弯曲部分)二2.0mm，横梁宽度4.0mm，以及弯曲部分的曲率半径二R2.0。支撑构件与发明实例1相同。结果谐振频率二472Hz最大振速幅度二345mm/s振速比率=0.91振动模式=活塞型运动从上面描述可知，可以证实，根据本发明实例的压电致动器具有比发明实例1低的谐振频率和较大振幅。振速比率为0.91且振动模式为活塞型模式。(发明实例3)根据发明实例3制造如图18所示的压电致动器。该压电致动器与根据发明实例1的压电致动器的不同之处在于压电元件被设置在底板的两个表面上，具有双晶结构。其它结构细节与根据发明实例1的压电致动器相同。具体结构如下所示压电元件外形=边长为10mm的正方形、厚度-0.4mm。每个压电元件的上和下电极层与发明实例1相同并且具有8Pm的厚度。弹性体与发明实例1相同。横梁与发明实例1相同。支撑构件外形二直径为17mm的圆形，厚度二1.95mm，间隙L,二1.0m。结果谐振频率^662Hz最大振速幅度二298mm/s振速比率=0.87振动模式=活塞型运动从上面描述可知，可以证实，根据本发明实例的压电致动器具有较低的谐振频率和较大振幅。(发明实例4)根据发明实例4如下制造压电致动器取代根据发明实例1的压电致动器的单层压电元件，制造具有多层压电元件的压电致动器。其它结构细节与根据发明实例1的压电致动器相同。图19仅示出多层压电元件。压电元件本身的结构与图ll所示的压电元件IIC基本相同。特别是，电极层被设置在五个压电材料层之间。具体结构如下所示压电板(压电材料层)外形二每个边长为10mm的正方形、厚度二80ymX5层。电极层厚度-3umX4层。最后的压电元件外形=每个边长为10mm的正方形、厚度=大约0.5mm。支撑构件外形=直径为17mm的圆形，厚度二1.55mm，间隙Ll=1.0m。通过在空气中在IIO(TC下烘烤绿片2小时来制造压电元件。之后，如图19所示，形成银电极，其用电线(9202)串成电极层，此后以箭头9205所示的极化方向极化压电材料层。分别在上和下表面上形成绝缘层9203、9204。电极衬垫9201a、b被设置于上绝缘层9203的表面，由铜箔接合，并且连接到一起。结果谐振频率二652Hz最大振速幅度-649mm/s振速比率=0.91振动模式=活塞型运动从上面描述可知，可以证实，根据本发明实例的压电致动器具有较低的谐振频率和较大振幅。振速比率为0.91且振动模式为活塞型模式。(发明实例5)根据发明实例5制造如图20A和20B所示的压电致动器。该压电致动器包括圆形压电元件IOA和相应的圆形底板34A。其它结构细节与根据发明实例1的压电致动器相同。压电元件外形=直径为12mm的圆形，厚度二0.5mm。支撑构件外形=直径为17mm的圆形，厚度二1.55mm。结果谐振频率二532Hz最大振速幅度二296mm/s振速比率二0.92振动模式=活塞型运动从上面描述可知，可以证实，根据本发明实例的压电致动器具有较低的谐振频率和较大振幅。振速比率为0.92且振动模式为活塞型模式。(发明实例6A)以下发明实例6a描述评价压电元件的厚度dl和弹性体(底板)的厚度d2的比率dl/d2对于压电致动器的特性的效果的过程的结果。本发明实例所使用的压电致动器的结构与发明实例1相同。通过仅改变压电元件的厚度来改变比率dl/d2。结果如表1和图21的图表所示。表1发明实例dl/d2压电元件厚度/底板厚度谐振频率(Hz)最大振速幅度(mm/s)发明实例6a0.38100.1发明实例6b0.466839发明实例6c0.565352发明实例6d0.8642135发明实例6e1.0635260发明实例6f1.5605180发明实例6g2.0579112发明实例6i3.056571.8发明实例6j4.049834.2发明实例6k5.046027.6发明实例616.041622.9发明实例6m7.040817.6发明实例6n8.040312.3发明实例6o9.03998发明实例6p10.03904蜂窝电话的声学部件应当优选地具有大约80dB的声压，从而用户可以清楚地听到铃音声调，即使蜂窝电话放在包、袋等内。为了得到大约80dB的声压，需要压电致动器的最大振速幅度为至少20mm/s或更高。表1表示如果比率dl/d2处于范围0.4《dl/d2《6.0(发明实例6b至61)，则最大振速幅度为20mm/s或更高。如果dl/d2的值太小(即，如果底板的厚度相对于压电元件的厚度过大)，那么由于底板的刚性相对于压电元件变高并且底板的限制效应增加，所以不能得到足够量的振动。如果dl/d2的值太大(即，如果底板的厚度相对于压电元件的厚度过小)，那么由于底板的阻力较低并且由压电元件所产生的力不能很好地传送到底板(和与其连接的横梁)，所以不能得到足够量的振动。(发明实例6B)除了发明实例6A以外，表2示出了压电元件的厚度保持为0.5并且仅改变底板的厚度d2的实验的结果。表2发明实例dl/d2压电元件厚度/底板厚度谐振频率(Hz)最大振速幅度(mm/s)发明实例6q0,113500馬发明实例6r0.511700.09发明实例6s11.03852.0发明实例6t12.03800.5发明实例6u15.03730.01(发明实例7)将要显示评价本发明所应用的声学部件的过程的结果。根据发明实例7制造如图22所示的声学部件。声学部件70包括根据发明实例1的压电致动器51和应用于压电致动器51上的振动膜61。振动膜61由厚度二0.05mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜制成。结果谐振频率二633Hz声压级二95dB。(发明实例8)根据发明实例8制造如图23所示的声学部件。声学部件71包括根据发明实例2的压电致动器55A和应用于压电致动器55A上的振动膜61。振动膜61与发明实例7相同。结果谐振频率^503Hz声压级二99dB。(比较实例2)为了比较根据发明实例7、8的声学部件的优点，制造现有技术中的具有应用根据比较实例1的压电致动器上的振动膜的声学部件。结果谐振频率二1498Hz声压级二65dB。(发明实例9)将要描述关于发明实例9至11和比较实例3的包含声学部件的蜂窝电话。根据发明实例9制备如图24所示的蜂窝电话，在该蜂窝电话中加入根据发明实例7(参见图22)的声学部件70。使用设置在距离声学部件30cm处的麦克风测量声压级和频率特性。也进行下落碰撞实验。结果谐振频率二643Hz声压级二93dB。频率特性呈现平坦特性(参见图26)下落碰撞实验在便携式电话下落五次之后，发现压电元件没有破裂。在该实验之后，声压级测量为92dB。(发明实例10)根据发明实例IO制备如图24所示的蜂窝电话，在该蜂窝电话中并入根据发明实例8(参见图23)的声学部件71。使用设置在距离声学部件30cm处的麦克风测量声压级和频率特性。也进行下落碰撞实验。结果谐振频率二497Hz声压级二98dB。频率特性呈现平坦特性(参见图26)下落碰撞实验在便携式电话下落五次之后，发现压电元件没有破裂。在该实验之后，声压级测量为98dB。(比较实例3)根据比较实例3制备如图24所示的蜂窝电话，在该蜂窝电话中并入根据比较实例2的声学部件。使用设置在距离声学部件30cm处的麦克风测量声压级和频率特性。也进行下落碰撞实验。结果谐振频率-1520Hz声压级-66dB。频率特性呈现具有多个波峰和倾角的特性(参见图26)下落碰撞实验在便携式电话下落两次之后，发现压电元件破裂。同时，声压级测量为50dB或更小。(比较实例4)根据比较实例4制备如图25所示的现有技术的声学部件。如图25所示的声学部件包括永磁体191、音圈193、以及振动板192。当电流通过电终端94流过音圈时，产生了磁力以吸引和排斥用于产生声音的振动板192。声学部件的外形为直径为20mm的圆形，厚度为4.0mrn。使用设置在距离声学部件30cm处的麦克风测量如此构造的声学部件的声压级和频率特性。结果谐振频率二810Hz声压级^83dB。从图26所示的图表中看出，采用根据发明实例9的压电致动器的声学部件呈现出接近比较实例4(电磁致动器)的频率特性。根据比较实例3的现有技术的压电致动器呈现出具有多个波峰和倾角的频率特性。这些事实证实了根据本发明的声学部件改善了频率特性。特别是，在发明实例9、10中，谐振频率fo低于比较实例3的谐振频率fo，证实了根据本发明的声学部件增加了频带。根据发明实例9、10，声压级高于比较实例3。(发明实例11)根据发明实例11制造包含根据发明实例7的声学部件的笔记本个人电脑。使用设置在距离声学部件30cm处的麦克风测量声压级和频率特性。也进行下落碰撞实验。结果谐振频率二623Hz声压水平二91dB。下落碰撞实验在便携式电话下落五次之后，发现压电元件没有破裂。在该实验之后，声压水平测量为89dB。(实验实例12)以下描述用于检测直立部分36(参见图2)的长度和压电致动器的特性之间的关系的过程的结果。如图27所示，使用根据发明实例1的致动器作为底板，使用通过弯曲厚度为0,05mm的磷青铜弹簧而制造的弹性体，将直立部分36的长度X从0.1mm改变为5.0mm,并且测量谐振频率和最大振速幅度。在弹性体上表面的横向方向上的长度(底板和两个延伸部分的长度)为14mm。结果如表3和图28的图表所示。在图28中，水平轴表示长度X，左侧垂直轴表示谐振频率，右侧垂直轴表示最大振速幅度。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage31</column></row><table>(发明实例13)以下描述用于检测直立部分36的角度a(参见29)和压电致动器的特性之间的关系的过程的结果。如图29所示，使用根据发明实例1的致动器作为底板，使用通过弯曲厚度为0.05mm的磷青铜弹簧而制造的弹性体，将直立部分关于延伸部分的角度a从90。改变为180°，并且测量谐振频率和最大振速幅度。结果如表4所示。当角度a为180°时，直立部分从延伸部分向外直线延伸，并因此是平的。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage32</column></row><table>(发明实例14)以下描述用于检测延伸部分38的长度L(参见图38)和压电致动器的特性之间的关系的过程的结果。如图30所示，在与图9所示的结构相同的压电致动器中，延伸部分38的长度L从0改变为2.0mm，并且测量谐振频率和最大振速幅度。结果如表5所示。如同上述发明实例那样，通过弯曲厚度为0.05mm的磷青铜弹簧制造弹性体。所有直立部分的尺寸均为l.Omm。尽管图30没有详细示出，但是压电元件和支撑构件与根据发明实例1的压电元件和支撑构件相同。表5<table>tableseeoriginaldocumentpage32</column></row><table>权利要求1.一种压电致动器，包括压电元件，其具有两个相对的主表面，用于根据电场状态伸展和收缩以引起所述主表面扩大或收缩；底板，由可伸展的材料制成，其中所述主表面之一被应用于所述底板；以及多个横梁部件，具有连接到所述底板的外圆周部分的多个端部以及连接到支撑构件的其它端部；其中当所述压电元件伸展和收缩时，所述底板沿所述压电元件的横向方向振动；每个所述横梁部件包括从所述底板的外圆周部分向外延伸的延伸部分和接合到所述延伸部分之一并且交叉所述延伸部分之一延伸的直立部分。2.如权利要求l所述的压电致动器，其中，所述横梁部件的所述多个端部和所述其它端部不位于与所述底板的表面平行的平面上。3.如权利要求l所述的压电致动器，其中，所述底板和所述横梁部件被构造成集成部件。4.如权利要求l所述的压电致动器，其中，所述压电元件具有圆形形状。5.如权利要求1所述的压电致动器，其中，所述压电元件具有正方形形状。6.如权利要求1所述的压电致动器，其中，所述压电元件中的两个被分别设置在所述底板的各自的两侧上。7.如权利要求l所述的压电致动器，其中，所述压电元件具有包括交替堆叠到一起的各压电材料层和各电极层的层叠结构。8.如权利要求l所述的压电致动器，其中，所述直立部分和所述延伸部分以从90。到150°范围的角度互相交叉延伸。9.如权利要求l所述的压电致动器，其中，所述延伸部分或者所述直立部分包括弯曲部分。10.如权利要求9所述的压电致动器，其中，所述弯曲部分被包含在所述直立部分中、并且具有与所述延伸部分的端部对齐的端部。11.如权利要求1所述的压电致动器，进一步包括接合到所述直立部分并且与所述直立部分交叉延伸的另一延伸部分，所述另一延伸部分具有连接到所述支撑构件的端部。12.—种声学部件，包括根据权利要求1所述的压电致动器，以及接合到所述压电致动器的所述压电元件、所述底板或所述延伸部分的至少一部分的振动膜，其中所述声学部件在由用作驱动源的所述压电致动器致动所述振动膜时产生声音。13.—种电子装置，结合了根据权利要求12所述的声学部件。14.一种电子装置，结合了根据权利要求l所述的压电致动器。全文摘要一种压电致动器，其在用作声学部件时可以提供较高的声压以及卓越的频率特性，并且有利于减小尺寸。压电致动器(50)包括执行这种伸展/收缩运动的压电元件(10)，其主表面根据电场状态伸展或者收缩；底座(24)，其上贴有压电元件；以及连接到底座(24)的外圆周部分的四个横梁(30)。底座(振动部分)根据压电元件(10)的伸展和收缩运动而垂直振动。每个横梁部分(30)包括从底座(24)的外圆周部分延伸到外部的延伸部分(35)以及从延伸部分(35)沿与延伸部分(25)的延伸方向垂直的方向持续延伸的直立部分(36)。文档编号H02N2/00GK101262959SQ200680031840公开日2008年9月10日申请日期2006年8月30日优先权日2005年8月31日发明者佐佐木康弘,土岐望,大西康晴申请人:日本电气株式会社