专利名称：压电致动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电子设备中用的小型压电致动器。
背景技术：
由于易于处理，通常使用电磁致动器作为音响元件(如扬声器)的驱动部件。电磁致动器包括永磁体、音圈以及振动膜，并且通过使用该磁体的定子中磁路的操作，使由有机膜制成并且固定在音圈上的低刚度振动膜振动。因此，它们表现出往复振动模式，并且可以提供大的振动幅值。
顺带地，近年来，随着对蜂窝电话和个人计算机需求的增长，对节电致动器的需求正在增长。然而，电磁致动器存在的问题在于由于大量电流在音圈中流动以生成磁力，所以难以减小功耗。另外，尽管需要减小蜂窝电话或个人计算机中安装的致动器的尺寸，但是由于它的配置，难以减小厚度，因为若作为致动器的部件之一的电磁致动器中的永磁体减小厚度，则磁极的指向将不会对齐，这导致不能确保稳定的磁场，于是导致难以控制振动的膜与音圈的同步。另外，磁通量可能从音圈中泄漏，并且可能引起组成电子设备的其他电子部件中的故障。这样，在将致动器应用于电子设备时，需要电磁屏蔽。然而，这种屏蔽可能需要大的空间。同样是由于这一原因，电磁致动器不适合用在比如蜂窝电话类的小型设备中。另外，还存在这样的问题如果音圈由较细的导线制成，并且具有大电阻，则可能会因用来驱动音圈的大量电流(这是电磁音响元件的特性)而使音圈燃烧。
这样，由于采用压电元件作为驱动部件的压电致动器具有诸如尺寸小、重量轻、功耗低、无磁通量泄漏等特点，因而，希望采用压电致动器作为薄振动元件，以代替电磁类型振动元件。压电致动器通过薄片状的压电元件的扩张和收缩运动或者弯曲运动来生成振动。比如日本专利未审公开No.168971/86的说明书中所公开的那样，可以通过将压电陶瓷元件粘接到基底中来制造压电致动器。
图1A、1B示出传统压电致动器的示例。图1A表示一种压电致动器的分解透视图。将由压电陶瓷制成的压电体203固定于圆形基底202的中心区域，形成压电元件201。由圆形支撑构件204支撑基底202的外围边缘。在把预定的AC电压加于压电体203时，压电体203实现扩展和收缩运动。通过压电体203于基底202之间的固定部分的约束作用，在基底202中引起沿面外方向的弯曲运动，从而产生振动。如图1B所示，基底202沿面外方向振动，其中支撑构件204固定(作为节点)并且中心部分运动，作为腹点。
顺带地，由于压电陶瓷具有高刚度，所以，压电致动器存在的问题在于与电磁致动器相比，它仅能按小的平均幅值振动。具体地说，沿着它的周边固定并且具有弧形振动模式(其中主要是中心部分变形)的压电致动器平均起来只按小幅值变形，这使得甚至更加难以获得足够的振动幅值。另外，由于压电陶瓷的高刚度，振动幅值在谐振频率附近剧烈变化，因此，难以获得具有平坦频率特性的振动幅值。
此外，压电致动器的谐振频率很大程度上取决于它的形状。当把压电致动器应用于比如扬声器类的低频音响部件时，必须增大压电陶瓷元件的面积或者大大减小它的厚度，以便降低谐振频率。然而，由于陶瓷材料的脆性，增大面积或减小厚度可能导致可靠性变差，例如在处理期间破裂、由于落下而破损等等。这使压电致动器在许多情形中不适于实际使用。
另外，当把致动器应用于电子设备时，由于压电陶瓷具有大的振动反作用力，所以，振动往往通过支撑构件传播到容纳压电致动器的外壳。这种振动的泄漏可能导致外壳生成异常声音的缺点。
于是，为了解决前述问题，日本专利未审公开No.2000-140759的说明书公开了一种技术，其中，具有压电陶瓷的振动器和基底由沿着外壳周边的弹簧支撑。将弹簧结构的谐振频率设置在振动器的谐振频率附近。因为弹簧结构中携带大量能量，所以可以获得大的振动幅值。
为了同样的目的，日本专利未审公开No.2001-17917的说明书公开一种技术，其中，在基底的周边区域中沿着其圆周设置狭缝，以便提供类似的功能。
发明内容
根据日本专利未审公开No.2000-140759的说明书所公开的技术，大大增加了压电体的振动位移。然而，因为必须沿着与振动器平面垂直的方向布置弹簧，以使振动器能够垂直运动，从而增大了压电致动器的厚度。因此，这种技术并不适于厚度的减小。另外，由于根据该专利文献的结构，系将弹簧和振动膜插入在外壳中，所以，非常难于将振动膜布置在最优的位置处。
另一方面，按照日本专利未审公开No.2001-17917的说明书所公开的技术，必须使圆形基底与圆形压电陶瓷或矩形压电陶瓷组合，因为若基底实质上不是圆形的话，就难以形成片簧。在前一种情形下，由于压电陶瓷必须匹配圆形，所以制造步骤和成本都将增加，这是由于要使陶瓷匹配圆形，并且预先形成较大的额外部分使生产率变差。另一方面，在后一种情形中，由于不能以有效的方式将压电陶瓷布置在基底的周边区域中，所以，不能高效地将振动传递到基底，这使得难以获得足够的振动位移。另外，在这两种情形中，工作时，为形成片簧而在盘上形成的狭缝会引起压电陶瓷的支撑构件旋转运动。这在附着振动膜以便用作音响元件时会导致声音失真。
鉴于前述状况，本发明的目的在于提供一种小而薄的压电致动器，无需增加尺寸，就能够产生大幅值的振动，能够调整谐振频率，具有高可靠性，并且适用于电子设备。
为了解决前述问题，按照本发明的一种压电致动器，它包括压电元件，该元件具有压电体，所述压电体具有至少两个相对的表面，其中所述表面根据电场的状态进行扩张和收缩运动；约束构件，用于在所述两个表面中的至少一个表面上约束所述压电元件；支撑构件，设置于所述约束构件周围；以及多个梁构件，每个梁构件的两端分别固定到所述约束构件和所述支撑构件上，并且，每个梁构件沿实质上与受约束表面平行的方向具有用于弯曲的中性轴。
在如此构成的压电致动器中，由所述约束构件与所述压电元件之间的约束作用引起振动，并被所述梁构件放大。然后约束构件振动。具体地说，如果在谐振频率(由约束构件的物理特性、形状、数目、压电体的重量等确定)下引起振动，则约束构件严重位移，同时限制了压电体(其形变能力受到限制)的变形。这样，可以使整个压电体相对于支撑构件大幅值振动。另外，通过调整约束构件的物理特性(材料)、数量等，能够容易地控制谐振频率。因此，本发明可以提供薄而小的压电致动器，它能够生成大的振动幅值，无需改变外部尺寸就可以调整谐振频率，并且具有高可靠性。
所述梁构件可以是直梁。所述约束构件可以具有用于约束压电元件的基底，以及从基底延伸出来以构成梁构件的多条臂。
所述约束构件还可以是与压电体振动方向不同的第二压电元件。
此外，压电元件可以具有多个压电体以及用于向所述压电体施加电场的多个电极层，其中，每个压电体与每个电极层交替堆叠。
另外，压电元件可以是矩形平行六面体形状。
本发明的音响元件包括上述压电致动器，以及与所述压电致动器耦合的振动膜，用于通过从所述压电致动器传递过来的振动而辐射声音。
此外，本发明的音响元件还可以具有夹在所述压电致动器与所述振动膜之间的振动传递构件。
本发明的电子设备具有上述压电致动器或音响元件。
本发明的音响装置具有谐振频率互不相同的多个音响元件，以便平滑声压的频率响应。此外，本发明的电子设备具有这种音响装置。
如上所述，按照本发明的压电致动器，主要通过约束构件的位移，整个压电体相对于支撑构件大幅值振动。此外，通过调整约束构件的物理特性(材料)、数量等，可以容易地控制谐振频率。另外，即使包含所述压电致动器的电子设备掉落，由弹性材料制成的约束构件通过吸收碰撞能量，也能够缓和对压电体的碰撞。这样，按照本发明，可以提供一种薄而小的压电致动器，能够生成大的振动幅值，无需改变外部尺寸就可调整谐振频率，并且具有高可靠性。
图1A是传统压电致动器的分解透视图；图1B是表示传统压电致动器振动模式的概念示意图；图2是本发明第一实施例压电致动器的分解透视图；图3是表示压电致动器基底的另一实施例的主视图；图4是表示图2所示压电致动器振动模式的概念示意图；图5是本发明第二实施例压电致动器的概念性截面视图；图6是表示图5所示压电致动器振动模式的概念示意图；图7是本发明第三实施例压电元件的概念性截面视图；图8是本发明第四实施例压电元件的概念性截面视图；图9是本发明第五实施例压电致动器的概念性截面视图；图10是表示振动速度平均幅值测量点的示意图；图11A是表示振动模式和振动速度比的示意图；图11B是表示振动模式和振动速度比的示意图；图12A是示例1压电致动器的主视图；图12B是示例1压电致动器的分解透视图；图13是比较例1压电致动器的概念性截面视图；图14是示例2压电致动器的主视图；图15是示例4压电元件的概念性截面视图；图16是示例5压电元件的分解透视图；图17是示例6压电元件的概念性截面视图；图18是示例7音响元件的概念性截面视图；图19是比较例2音响元件的概念性截面视图；图20A是示例8音响元件的概念性截面视图；图20B是示例8音响元件中螺旋弹簧的概念示意图；图21是表示示例8音响元件安装在蜂窝电话中的示意图；图22是比较例4音响元件的概念性截面视图。
参考标号描述1a、1c、1d、1e、1f 压电元件3a、3d、3e 压电体3c 上压电体3c′下压电体21a、21b、21f 基底22a、22b、22c 梁构件4a、4b、4c 支撑构件31a、31c、31c′、31d、31e、31e′上电极层32a、32c、32c′、32e、32e′下电极层33e 上绝缘层33e′下绝缘层34 振动膜35 中间绝缘层36 绝缘层具体实施方式
以下将参考附图描述本发明的实施例。图2是本发明第一实施例压电致动器的分解透视图。压电元件1a具有上电极层31a和下电极层32a，它们被粘附到由陶瓷制成的压电体3a的相对表面上。比如胶水，可以使用环氧基胶水。实质上为矩形平行六面体形状的压电体3a沿厚度方向(图中白箭头所示)被极化。通过下电极层32a将压电体3a固定到矩形基底21a。具体地说，压电元件具有压电体，所述压电体包括至少两个相对表面，它们根据电场的状态进行扩张和收缩运动，并且基底21a是约束构件，用于通过这两个表面中的至少一个来约束压电元件。基底21a可以由刚度比构成压电体3a的陶瓷材料低得多种材料制成，比如包括铝合金、磷青铜、钛、钛合金等在内的金属，以及包括环氧树脂、丙烯酸、聚酰亚胺、聚碳酸酯树脂等在内的树脂类材料。压电体3a不必是矩形平行六面体形状，而可以是比如取决于与安装空间的关系，可以是其他形状(如圆柱形状)。
其中具有矩形孔的支撑构件4a布置在基底21a周边附近。梁构件22a连接支撑构件4a和基底21a。梁构件22a从基底21a的每一边延伸到支撑构件4a的相对边，并且，两端分别在接头处固定到基底21a和支撑构件4。所述梁构件22a可由与基底21a类似的材料制成。
然而，支撑构件4a不限于特定形状。比如可以使用环形构件(见图12)而不是带有孔的矩形形状。作为另一种选择，梁构件22a和基底21a可以是一体的，而不是分别制造的构件。比如可以采用十字形基底21b。如图3所示，将压电元件1a布置在交叉区域中，并在该区域周围而且是从它的各边延伸出的四条直臂(梁构件22b)固定到周围的支撑构件4b，由此每条臂充当梁构件22b，并且可以获得类似的效果。按照这种配置，通过仅仅切除矩形基底材料的四角，可以将梁构件22b整体形成为基底21的一部分，由此提高压电致动器的生产率以及可靠性，因为将压电元件1a的区域与梁构件22b连接起来的接头并不容易受到老化的影响。
梁构件22a弯曲并变形，从而整个压电元件1a沿基底21a的面外方向中振动。由压电元件1a和梁构件22a组成的振动系统沿着基底21a的面外方向的弯曲振动具有固有频率，并在固有频率处以大幅值沿上下方向谐振和振动。固有频率由物理性质(主要为杨氏模量)、截面形状、长度和梁构件22a的数量以及基底和压电体3a的重量等确定。接下去将详细描述产生振动的机制。
首先，当将AC电场施加于压电元件1a的上电极层31a和下电极层32a时，压电元件1a进行扩张和收缩运动。具体地说，压电元件1a根据电场指向交替重复压电体3a被压缩的变形模式[其中上电极层31a和下电极层32a所固定的表面扩张，而压电体3a的高度(上电极层31a与下电极层32a间的间隔)减小]和压电体3a沿着高度方向伸长的变形模式(其中上电极层31a和下电极层32a所固定的表面收缩，而压电体3a的高度增加)。结果，当固定表面扩张时，由于基底21a与压电体3a之间的约束，基底21a的表面变形为沿着与压电体3a相对的方向弯曲。相反，当固定表面收缩时，基底21a的表面变形为朝向压电体3a弯曲。借助这些运动，基底21a的周围边缘上下振动，这种运动传递到与基底21a附着在一起的多个梁构件22a。由于梁构件22a固定到支撑构件4，所以，梁构件22a和由梁构件22a支撑的压电元件1a围绕支撑构件4a沿上下方向大幅值振动。
图4以概念性的方式示出压电致动器的振动模式。由于梁构件22a的变形相对较大，所以，尽管压电体3a的变形相对较小，但是所得到的振动模式表现出活塞类型，而不是如图1B所示的弧形振动模式。这样，可以导致压电元件1a沿垂直方向进行大的往复运动，而不会引起压电体3a的大变形或扭曲。
本发明的压电致动器还具有下列优点。
首先，通过改变梁构件22a的材料特性、数量、宽度以及长度等，可以容易地调整本发明压电致动器的振动特性。因此，当制造具有不同振动特性的压电致动器时，简单地通过修改梁构件22a，就可以容易地改变谐振频率，而无需改变外部尺寸。另外，在更广的范围中的元件标准化和共同使用，又都有助于减小成本。
其次，由于对压电元件3a和支撑构件4a的配置限制较少，所以本发明的压电致动器在适应其中安装该压电致动器的设备中的空间方面是占优的。特别是与具有圆形压电元件的压电致动器相比，本发明的压电致动器在生产率方面占优，因为本发明的压电致动器利用矩形的压电元件3a，这样也可以使基底21a和梁构件22a形成为简单形状。
第三，由于不需要大大减小昂贵的压电元件的厚度就能降低压电致动器的谐振频率，所以可以容易地确保压电元件的强度。另外，当包含压电致动器的电子设备掉下时，由于陶瓷部分受到的碰撞扭曲，传统的压电致动器易于破损(如破裂)，而在本发明中，由于碰撞扭曲主要是由梁构件22a吸收，所以就能避免陶瓷部分的碰撞扭曲，这导致更高的机械可靠性。由于这些优点，可以容易地以较低的成本生产低频音响元件。
第四，由于梁构件22a完全粘附并固定到支撑构件4，所以当压电致动器振动时，接头充当振动节点。因此，振动不那么容易通过这些接头从压电致动器传播到电子设备，这导致更高的可靠性，并且，由于接头振动所导致的疲劳断裂以及产生异常声音的可能性都会更低。
如上所述，按照本发明，可以提供一种结构简单、可靠性和生产率高并且能够容易地产生大幅值振动的压电致动器。
另外，本发明的压电致动器的应用不限于蜂窝电话。本发明的压电致动器例如可以提供功能部件，例如这样的照相机模块通过利用加于压电致动器的电量调整位移或振动幅值，具有高度准确的变焦功能以及防止手抖动的焦距调整功能等。因此，包含本发明的压电致动器的电子设备的工业价值还将提高。
图5表示本发明第二实施例压电致动器的概念性截面视图。图6表示该实施例压电致动器的振动模式。通过将两个沿压电体厚度方向极化的压电体粘附在一起所形成的压电致动器通常称作双压电晶片。本实施例是本发明的概念在双压电晶片中的应用。如图5所示，压电元件1c是层状结构，其中将上压电体3c和下压电体3c′粘接在一起，它们之间夹有绝缘层36。具体地说，使上压电体3c夹在上电极层31c与下电极层32c之间。使下压电体3c′夹在上电极层31c′与下电极层32c′之间。绝缘层36位于下电极层32c与上电极层31c′之间。换句话说，这种压电致动器具有第二压电体，该第二压电体具有下压电体3c′、上电极层31c′以及下电极层32c′。另外，上压电体3c和下压电体3c′沿彼此相反的方向(如图中白箭头所示)被极化。在另一种可供选择的实施例中，可将基底21a用作绝缘层36。具体地说，可以使压电致动器的结构成为使第一实施例中的上电极层31a、压电体3a以及下电极层32a在基底21a之下镜像对称地排列。
当AC电场施加于压电元件1c时，上压电体3c或下压电体3c′之一扩张而另一个收缩，从而压电元件1c可以通过上压电体3c与下压电体3c′之间的互相约束作用实现自弯曲振动，有如图6所示者。于是，本实施例的压电元件1c中不需要基底。另外，在把与第一实施例相同的AC电压加于每个电极时，场强度和驱动力分别加倍，并且振动幅值成四倍。
图7示出本发明第三实施例压电致动器的概念性截面视图。虽然只表示了压电元件，但是可按比如与第一实施例相似的方式来配置梁构件和支撑构件。压电元件1d形成为层状结构，其中交替层叠压电体3d和电极层31d。交替地沿相反方向极化每个压电体31d，并且还以如下方式对压电体31d实行电连接电场交替地指向相反方向。这样，在加给电场时，所有压电体3d以相同方式变形，结果，振动幅值正比于压电体的层数增加。
图8示出本发明第四实施例压电致动器的概念性截面视图。通过在第二实施例中于压电体两侧及致动器中心部分中设置绝缘层，以形成本实施例。具体地说，使上压电体3e夹在上电极层31e与下电极层32e之间，并使下压电体3e′夹在上电极层31e′与下电极层32e′之间。继而，在上电极层31e上设置上绝缘层33e，并在下电极层32e′下设置下绝缘层33e′。另外，在下电极层32e与上电极层31e′之间设置中间绝缘层35e。即使使用金属基底进行粘接时，这种层状结构也能防止向基底的电泄漏，并且使得能够安全处理。
图9示出本发明第五实施例压电致动器的概念性截面视图。该实施例的压电元件1f包括粘接在基底21f下侧的振动膜34。可将纸或有机膜(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯)用作振动膜34的基础材料。振动膜34抑制谐振频率附近振动幅值的陡然变化，使得能够制成具有平坦声压和频率特性的音响元件(如扬声器和接收机)。如果使用有机膜(绝缘材料)作为振动膜34的基础材料，则可以通过电镀技术等在这种基础材料上形成连接到压电元件21f的金属导线，从而可以将金属导线用作电接线端引线。这种结构也能提高可靠性，因为可以避免通过电极材料来进行电传导。作为选择，可将振动膜34设置在压电元件1f与基底21f之间。
可以借助传递振动的材料(如橡胶、海绵橡胶等)将振动膜粘接到基底21f。可以实现使频率特性平坦化的更高效果。作为选择，可将谐振频率互不相同的多个压电致动器粘接到振动膜，以便应用于电子设备。得到的音响设备可以在宽的频率范围中表现出平坦的声压。
为评价本发明的效果，根据下列示例1-9以及比较例1-4评价本发明压电致动器的特性。评价项目如下。
(评价1)谐振频率的测量在加给1V的AC电压时测量谐振频率。
(评价2)振动速度的最大幅值在加给1V的AC电压时，测量谐振频率下振动速度的最大幅值。
(评价3)振动速度的平均幅值如图10所示，在沿压电元件1纵向相等间隔的20个测量点(图中由1-20表示)处测量振动速度的幅值，并且计算它们的平均值。
(评价4)振动模式如图11A和11B所示，用振动速度比，它被定义为振动速度的平均幅值Vm除以振动速度的最大幅值Vmax，评价振动模式。图中的曲线代表振动速度幅值的分布。较小的振动速度比意味着如图11A所示的弯曲(弧形)运动。较大的振动速度比意味着如图11B所示的往复(活塞类型)运动。在本说明书中，当振动速度比为80％或更大时，将被运动定义为往复运动；而当振动速度比小于80％时将被定义为弯曲运动。
(评价5)Q值在加给1V的AC电压时测量谐振频率处的Q值。当Q值变低时，声压的频率特性变平坦。
(评价6)声压水平的测量在加给1V的AC电压时测量声压水平。
(评价7)掉落碰撞测试将安装有压电致动器的蜂窝电话从50cm高处掉下五次，以实行掉落碰撞稳定性测试。具体地说，在掉落碰撞测试之后，视觉地检查断裂(如裂纹)，另外，在测试之后测量声压特性。
制作图12A、12B所示的压电致动器。图12A示出基底、梁构件以及支撑构件的俯视平面图。图中各值的单位都是毫米。图12B依次示出压电元件的分解同时图。示例1的压电致动器具有压电元件101a、基底121a、支撑构件104a以及梁构件122a。利用环氧基胶水将压电构件101a粘接到基底121a，并通过四个梁构件122a将基底121a连接到支撑构件104a。
如图12B所示，压电元件101a是单层类型的压电元件，由上绝缘层133a、上电极层131a、压电体103a、下电极层132a以及下绝缘层133a′组成。上绝缘层133a和下绝缘层133a′的长度为10mm，宽度为10mm，并且厚度为50μm。压电体103a的长度为10mm，宽度为10mm，并且厚度为300μm。上电极层131a和下电极层132a中每一个的厚度都是3μm。因此，压电元件101的形状是10mm正方形方，并且厚度约为0.4mm。
锆钛酸铅基陶瓷用作压电体103a、上绝缘层133a以及下绝缘层133a′，而银/钯合金(重量比为70％∶30％)用作上电极层131a和下电极层132a。通过基板法(green sheet method)制造压电元件，并在1100℃条件下在空气中烧结两个小时。然后，形成厚度为8μm的银电极，作为连接到电极层的外部电极，然后，极化压电体103a。随后用厚度为8μm的铜箔将上绝缘层133a的表面上形成的各电极焊盘136a连接在一起，然后再用直径为1mm、高度为0.5mm的焊料部分(未示出)将直径为0.2mm的两条电极接线端引线115焊接到各焊盘上。
由厚度为0.05mm的磷青铜制成基底121a。通过切割，将基底121a形成图12A所示的形状。由SUS304制成附着到基底121a的四个梁构件122a，并且所有构件都具有相同形状，宽度为4mm，长度为4mm，并且厚度为0.2mm。梁构件122a连接大环形的支撑构件104a。
以前述方式制成的本示例压电致动器是小而薄的压电致动器，它的是直径为16mm，且厚度为0.45mm的圆形形状。该压电致动器提供如图11B所示的往复振动模式，谐振频率为529HZ，振动速度的最大幅值是180mm/s，并且最大振动速度比是0.83。
为了确认示例1的效果，制作图13所示的传统压电致动器。以与示例1相似的方式制作长度为16mm，宽度为8mm并且厚度为0.4mm的压电元件1101a，然后粘接金属盘1105(磷青铜，厚度为0.1mm)，制成压电致动器，随后用支撑构件1104a连接两端。
所制成的压电致动器给出有如图11A所示的弧形振动模式，谐振频率为929HZ，振动速度的最大幅值是1480mm/s，并且最大振动速度比是0.47。
从示例1与比较例1的比较中确认，可以提供谐振频率低、振动幅值大并且振动幅值平坦的压电致动器。
在示例2中，将附着于基底的梁构件的数目从示例1中的四个改变为两个，以便确认谐振频率的减小程度。如图14所示，除了梁构件的数目之外，各条件都与示例1中相同。该压电致动器是直径为16mm且厚度为0.45mm的圆形。图中各值的单位都是毫米。该压电致动器给出往复振动模式，谐振频率为498HZ，振动速度的最大幅值是172mm/s，并且最大振动速度比是0.86。
从示例1与示例2之间的比较确认，通过改变梁构件的数目，可以降低谐振频率，而不会导致振动模式或振动速度幅值的大的改变。
在示例3中，采用示例2的结构，而基底的材料从磷青铜变为SUS304。其他条件都与示例2中相同。该压电致动器给出往复振动模式，谐振频率为572HZ，振动速度的最大幅值是189mm/s。
从示例2与示例3之间的比较确认，通过改变基底的材料，可以调整谐振频率，而不会引起致动器形状、振动模式以及振动速度最大幅值的大的变化。
在示例4中，用两个振动方向不同的压电元件制作双压电晶片类型的压电致动器。如图15所示，压电元件101c具有压电体103c、103c′，它们形状相同，并以使它们沿不同方向振动的方式粘接在一起。压电体103c、103c′的形状是10mm的正方形，且厚度为0.2mm。于是，压电元件101c在形状上与示例2相同。此外，除压电元件之外的结构也与示例2相同。
这种压电致动器给出往复振动模式，谐振频率为487HZ，振动速度的最大幅值是352mm/s。
从示例2与示例4之间的比较确认，通过使用双压电晶片类型压电元件(具有两个粘接在一起并沿不同方向振动的压电板)，可以大大地增大最大振动位移。
在示例5中，将示例2的单个类型压电元件改变为层叠类型。本示例的层叠类型压电元件101d为三层类型。如图16所示，由堆叠的上绝缘层133d、四个电极层131d、三个压电体103d以及下绝缘层133d′组成。上绝缘层133d和下绝缘层133d′的形状是10mm的正方形，且厚度为80μm。压电体103d的形状是10mm的正方形，且厚度为80μm。电极层131d的形状是10mm的正方形且厚度为3μm。因此，压电元件101d的形状是10mm的正方形，且厚度约为0.4mm。另外，该压电致动器是直径为16mm且厚度为0.45mm的圆形，这与示例2相同。
将锆钛酸铅基陶瓷用作上绝缘层133d、下绝缘层133d′以及压电体103d，而将银/钯合金(重量比为70％∶30％)用作电极层131d。通过所述基板法制作压电元件104d，并且在1100℃条件下在空气中烧结两个小时。然后，与图12同样地，形成连接到电极层的银电极，然后极化压电体103d。随后用铜箔将上绝缘层133d的表面上形成的各电极焊盘(未示出)连接在一起。
该压电致动器提供往复振动模式，谐振频率为495HZ，振动速度的最大幅值是518mm/s。
从示例2与示例5之间的比较确认，通过使用层叠结构的压电元件，可大大地增大振动速度的最大幅值，而不会引起谐振频率的变化。
在本示例中，将绝缘层135e设置在示例4双压电晶片压电元件的两个压电板之间，有如图17所示者。将厚度为0.1mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜用作绝缘层135e。除添加绝缘层135e之外，示例6的结构与示例4相同。由于绝缘层135e厚度的缘故，本示例压电致动器的厚度是0.55mm，这表示与示例2相比增加了0.1mm。
本压电致动器给出往复振动模式，谐振频率为442HZ，振动速度的最大幅值是186mm/s。另外，在相同条件下制成的50个样品中没有一个表现出电泄漏，由此，确认是安全处理。
从示例4与示例6之间的比较确认，通过在压电元件中插入绝缘层，提供一种即使在使用金属基底时也能抑制电泄漏并能安全处理的具有大振动位移的压电致动器。
如图18所示，在本示例中，将振动膜134f粘接到示例2的压电致动器，形成音响元件39，然后使音响元件39动作，以便利用传递到振动膜134f的振动辐射声音。具体地说，将厚度为0.05mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜附着到基底121f的背面。
本音响元件表现出谐振频率为483HZ，Q值为8.76，并且声压水平为98dB。
为了比较示例7压电致动器的效果，制成有如图19所示的传统压电音响元件。这种音响元件具有与示例7类似的振动膜13f′，并将该振动膜13f′附着到比较例1的压电致动器(见图13)上。所制得的音响元件表现出谐振频率为796HZ，Q值为37，并且声压水平为79dB。
从示例7与比较例2的比较确认，能够给出一种频率范围宽、声压频率特性平坦且声压水平高的音响元件。
在本示例中，有如图20A所示，于示例7音响元件39的压电元件101g与振动膜34g之间插入锥形螺旋弹簧38，用作振动传递构件。螺旋弹簧38的厚度为0.2mm，最小螺旋半径为2mm，而最大螺旋半径为4mm，并由不锈钢线形成，有如图20B所示者。利用环氧基胶水，将螺旋弹簧38在最小螺旋半径平面处粘接到基底121g，并在最大螺旋半径平面处粘接到振动膜34g。除设置有螺旋弹簧38外，本示例的结构与示例7相同。通过对示例2元件的厚度加上了螺旋弹簧38的厚度，即0.2mm，示例7的音响元件的厚度为0.7mm。
所制得的音响元件表现出谐振频率为457HZ，Q值为9.8，并且声压水平为108dB。
从示例7与示例8的比较确认，通过在振动膜与压电致动器之间插入振动传递构件，可以降低谐振频率，同时可以提高声压水平。
如图21所示，将示例7的音响元件39安装在蜂窝电话51中，然后在30cm的距离处测量音响元件39的声压水平以及声压的频率特性。谐振频率是501HZ，声压的频率特性是平坦的，Q值是8.12，并且声压水平是95dB。另外，作为掉落碰撞测试的结果，即使在掉落五次之后，也没有在压电元件中发现裂纹，并且在测试之后发现声压水平为94dB。
将比较例2的压电音响元件安装在蜂窝电话51中。按与示例9相同的方式在30cm的距离处测量音响元件的声压水平以及声压的频率特性。谐振频率是821HZ，声压的频率特性非常不平，并且声压水平是75dB。作为掉落碰撞测试的结果，使蜂窝电话51掉落两次之后，在压电元件中发现了裂纹，并且这时发现声压为60dB或更低。
从示例9与比较例3的比较确认，通过将示例9的音响元件安装蜂窝电话中，可以提供能在大频率范围内再现声压大且声压频率特性平坦的声音。还确认，本发明的音响元件在掉落时能防损伤。
如图22所示，把电磁音响元件61安装在蜂窝电话中。这个比较例的音响元件具有永磁体62、音圈63以及振动膜64。当从电接线端65a加给电流时，音圈63产生磁力。所产生的磁力重复吸引及排斥振动膜64，以产生声音。振动膜64通过周边的耦合构件67连接到外壳67。比较例4的音响元件是直径为20mm且厚度为2.5mm的圆形。按与示例9相同的方式在30cm的距离处测量该音响元件的声压水平以及声压的频率特性。得到的谐振频率是730HZ，并且声压水平是73dB。
从示例9与比较例4的比较确认，与传统电磁音响元件相比，通过将本发明的音响元件安装在蜂窝电话中，可以在更宽的频率范围内再现具有更高声压的声音。
有如上面在“具体实施方式
”以及示例1-9和比较例1-4的结果中详细描述的那样，本发明提供一种薄而小的压电致动器，它能够给出大的振动幅值，无需改变外部尺寸就可调整谐振频率，并且可靠性高，因此，可将它广泛应用于电子设备等。
权利要求
1.一种压电致动器，包括压电元件，它具有压电体，所述压电体具有至少两个相对表面，所述表面根据电场的状态进行扩张和收缩运动；约束构件，用于在所述两个表面中的至少一个表面上约束所述压电元件；支撑构件，设置在所述约束构件周围；以及多个梁构件，每个梁构件的两端分别固定到所述约束构件和所述支撑构件，每个梁构件在与受约束表面实质上平行的方向具有用于弯曲的中性轴，其中，所述约束构件由于所述约束构件与压电元件间的约束作用所产生振动而振动，并被所述梁构件放大。
2.根据权利要求1所述的压电致动器，其中，所述梁构件是直梁。
3.根据权利要求1或2所述的压电致动器，其中，所述约束构件具有用于约束所述压电元件的基底，以及从所述基底延伸出来以构成所述梁构件的多条臂。
4.根据权利要求1至3任一项所述的压电致动器，其中，所述约束构件是与所述压电体振动方向不同的第二压电元件。
5.根据权利要求1至3任一项所述的压电致动器，其中，所述压电元件包括多个所述压电体以及用于向所述压电体加给电场的多个电极层，所述每个压电体与每个电极层交替堆叠。
6.根据权利要求1至5任一项所述的压电致动器，其中，所述压电元件在所述两个表面中的至少一个表面上设置有绝缘层。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的压电致动器，其中，所述压电元件是矩形平行六面体形状。
8.一种音响元件，包括权利要求1至7任一项的压电致动器；以及耦合到所述压电致动器的振动膜，用以通过从所述压电致动器传递来的振动而辐射声音。
9.根据权利要求8所述的音响元件，其中，还包括夹在所述压电致动器与振动膜之间的振动传递构件。
10.一种电子设备，包含权利要求1至7任一项的压电致动器。
11.一种电子设备，包含权利要求8或9的音响元件。
12.一种音响装置，包含多个权利要求8或9的音响元件，它们的谐振频率彼此不同，以平滑声压的频率响应。
13.一种电子设备，包含权利要求12的音响装置。
全文摘要
一种压电致动器，无需增大外部尺寸而能提供大的振动幅值，可调整谐振频率，并且可靠性高。一种压电致动器包括压电元件(1a)，所述元件具有压电体(3a)，压电体至少有两个相对表面，这些表面根据电场的状态进行扩张和收缩运动；约束构件(21a)，用以在所述两个表面中至少一个上约束压电元件(1a)；支撑构件，设置在约束构件(21a)周围；以及多个梁构件(22a)，每个梁构件两端分别固定到约束构件(21a)和支撑构件(4a)，每个梁构件在与受约束表面实质上平行的方向具有用于弯曲的中性轴，其中，约束构件由于约束构件与压电元件之间的约束作用所产生的振动而振动，并被梁构件放大。
文档编号H04R17/00GK1813487SQ20048001821
公开日2006年8月2日 申请日期2004年12月3日 优先权日2003年12月26日
发明者大西康晴, 佐佐木康弘, 土岐望 申请人:日本电气株式会社