专利名称：振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用压电振子的振荡器。
背景技术：
近年来，对于诸如蜂窝电话和膝上型计 算机之类的便携终端的需求正在增长。具体地，已经开发了具有商业价值的诸如视频电话、电影播放和自动电话功能之类的声音功能的薄型便携终端。在其开发过程中，对于小尺寸和高输出电声换能器的要求已经增加。在诸如蜂窝电话之类的电子设备中，已经将电动电声换能器用作电声换能器。所述电动电声换能器包括永磁体、音圈和振动膜。然而，由于电动电声换能器的工作原理和结构，所述电动电声换能器在厚度减小方面具有限制。因此例如，如专利文献I至3中所公开的那样，期待使用压电振子作为电声换能器。具体地，专利文献3公开了配置有压电振子的参量扬声器。此外如在专利文献4中所公开的，例如存在使用压电振子的声波传感器。所述声波传感器是使用从所述压电振子等振荡的声波来检测与物体等的距离的传感器。相关文献专利文献
[专利文献I]日本未审专利申请公开No. Hei 5-122793[专利文献2]日本未审专利申请公开(PCT申请的译文)No.2009-518922[专利文献3]日本未审专利申请公开(PCT申请的译文)No.2003-513576[专利文献4]日本未审专利申请公开No.Hei 3-27028
发明内容
使用压电振子的振荡器利用压电材料的压电效应，基于由于电信号的输入导致的电致收缩动作来产生振动幅度。因此，其在厚度减小方面比上述电动电声换能器(振荡器)更具优势。然而，因为所述压电材料是易碎材料并且机械损耗较小，机械品质因子Q比上述电动电声换能器高。使用压电振子的振荡器采用弯曲型振动模式，而所述电动电声换能器产生活塞型幅度运动。因此，与所述电动电声换能器相比，使用压电振子的振荡器具有减小在振动端中的振动量以及减小在相同区域中的体积排斥量的趋势。因此，在使用压电振子的振荡器中，难以在保持输出的同时实现尺寸减小。本发明的目的是提供一种使用压电振子的振荡器，其能够在保持输出的同时实现尺寸减小。根据本发明，提出了一种振荡器，包括片状振动构件；第一压电振子，所述第一压电振子附着于所述振动构件的一个表面，具有中空部，并且具有平面形状；第二压电振子，所述第二压电振子附着于所述振动构件的所述一个表面，并且当在平面图中观看时位于所述第一压电振子的所述中空部中；以及支架，所述支架支撑所述振动构件的边缘，其中所述第一压电振子的基频谐振频率低于所述第二压电振子的基频谐振频率，以及当以所述基频谐振频率驱动所述第一压电振子时，所述第二压电振子与在所述振动构件中产生的振动回路重叠。根据本发明，在使用压电振子的振荡器中，可以在保持输出的同时实现尺寸减小。
根据下面描述的优选实施例和以下附图，使得上述目的、其他目的、特征和优势更加清楚。图I是示出了根据第一实施例的振荡器的结构的平面图。图2是示出了沿图I的线A-A’得到的截面图，包括外围电路。图3是示出了第一压电振子和第二压电振子沿厚度方向的结构的截向图。
图4是示出了根据第二实施例的振荡器的第一压电振子的结构的分解透视图。图5是示出了根据第三实施例的振荡器的平面图。图6是沿图5的A-A’线得到的截面图。图7是示出了根据第四实施例的振荡器的平面图。图8是沿图7的线A-A’得到的截面图。图9是示出了根据第五实施例的振荡器的截面图。图10是示出了图9的修改示例的截面图。图11是示出了根据第六实施例的振荡器的平面图。图12是示出了根据第七实施例的振荡器的截面图。图13是示出了便携通信终端的结构的示意图。
具体实施例方式下文中将参考附图描述本发明的实施例。在所有附图中，通过类似的数字表示类似的元件，并且将不再重复其描述。(第一实施例)图I是示出了根据第一实施例的振荡器的结构的平面图。图2是示出了沿图I的线A-A’得到的截面图，包括外围电路。所述振荡器包括振动构件10、第一压电振子20、第二压电振子30和支架40。振动构件10形成为片状。第一压电振子20附着于所述振动构件10的一个表面，并且具有平面形状的中空部21。第二压电振子30附着于所述振动构件10的上述一个表面，并且当在平面图中观看时位于所述第一压电振子20的所述中空部21中。支架40是框状构件，并且其内表面支撑所述振动构件10的边缘。第一压电振子20的基频谐振频率低于第二压电振子30的基频谐振频率。此外，当以所述基频谐振频率驱动第一压电振子20时，第二压电振子30与在振动构件10中产生的振动回路重叠，例如与所述振动回路的中心重叠。优选地，第二压电振子30的中心与通过第一压电振子20在所述振动构件10中产生的振动回路的中心重叠，例如，使用振荡器作为扬声器或者声波传感器的振荡源。此外，相对较小的第二压电振子30也可以通过使用压电物质的热电效应用作温度传感器。当使用所述振荡器作为扬声器时，例如，可以将所述振荡器用作电子设备(例如蜂窝电话、膝上型个人计算机、小尺寸游戏机等)的声音源。下文中将进行详细描述。通过由第一压电振子20和第二压电振子30产生的振动来振动所述振动构件10。此外，振动构件10调节第一压电振子20和第二压电振子30的基频谐振频率。机械振子的基频谐振频率依赖于负载重量和柔量。因为柔量是振子的机械刚性，可以通过控制振动构件10的刚性来控制第一压电振子20和第二压电振子30的基频谐振频率。同时，优选地，振动构件10的厚度等于或大于5μπι并且等于或小于500 μ m。此外，在振动构件10中，优选地，纵向弹性模量等于或大于IGpa并且等于或小于500GPa，所述纵向弹性模量是对刚性加以表示的指数。当振动构件10的刚性过低或过高时，可能会损害机械振子的特性和可靠性。同时，对于组成振动构件10的材料没有特别的限制，只要该材料是相对于第一压电振子20和第二压电振子30(均为易碎材料)具有高弹性模量的材料，例如金属或树脂，但是从可使用性和成本的观点来看优选地是磷青铜、不锈钢等。在该实施例中，第一压电振子20是环形的，并且其外周和内周都是圆形的。第二 压电振子30是圆形的。第二压电振子30的尺寸小于第一压电振子20。因此，第二压电振子30的基频谐振频率30高于第一压电振子20的基频谐振频率。此外，第一压电振子20和第二压电振子30配置为使得通过粘合剂，将第一压电振子20和第二压电振子30的面对振动构件10的表面全部固定到振动构件10。此外，振荡器包括控制单元50、第一信号产生单元52和第二信号产生单元54作为振荡电路。第一信号产生单元52产生输入至第一压电振子20的电信号。第二信号产生单兀54产生输入至第二压电振子30的电信号。控制器50基于从外部输入的信息来控制第一信号产生单元52和第二信号产生单元54。当将振荡器用作扬声器时，输入至控制单元50的信息是音频信号。此外，当将振荡器用作声波传感器时，输入至控制单元50的信号是用于发射声波的命令信号。当将振荡器用作声波传感器时，第一信号产生单元52使得第一压电振子20产生第一压电振子20的谐振频率的声波，并且第二信号产生单元54使得第二压电振子30产生第二压电振子30的谐振频率的声波。图3是示出了第一压电振子20和第二压电振子30沿厚度方向的结构的截面图。第一压电振子20包括压电物质22、上电极24和下电极26。此外，第二压电振子30包括压电物质32、上电极34和下电极36。同时，第一压电振子20和第二压电振子30的大致结构彼此相同，因此下面将只描述第一压电振子20的结构。压电物质22沿厚度方向极化。构成压电物质22的材料可以是无机材料或有机材料，只要其是具有压电效应的材料。然而优选地，该材料是具有高电-机械转换效率的材料，例如压电锆钛酸材料(PZT)或钛酸钡(BaTiO3)。例如，压电物质22的厚度h等于或大于10 μ m并且等于或小于1mm。当厚度Ii1小于10 μ m时，在振荡器的制造期间可能会损坏第一压电振子20和第二压电振子30。此外，当厚度Ill超过Imm时，过度地降低了电-机械转换效率，并且因此不能获得足够大的振动。这是因为当第一压电振子20和第二压电振子30的厚度增加时，压电振子内的电场强度与其成反比，并且因而降低。此外，压电物质22和32的厚度可以彼此相同，也可以彼此不同。尽管对构成上电极24和下电极26的材料没有具体的限制，但是例如可以使用银或银/钯。因为银用作低阻和通用电极材料，在制造工艺、成本等方面存在优势。因为银/钯是具有优秀抗氧化性的低阻材料，从可靠性的方面来看存在优势。此外，对上电极24和下电极26的厚度h2没有具体的限制，但是优选地，厚度h2等于或大于I μ m并且等于或小于100 μ m。当厚度h2小于I μπι时，难以均匀地形成上电极24和下电极26。因此，电-机械转换效率可能降低。此外，当上电极24和下电极26的膜厚度超过100 μ m时，上电极24和下电极26用作对压电物质22的约束面，并且能量转换效率可能降低。接下来将描述制造振荡器的方法。首先，将第一压电振子20和第二压电振子30处理成预定的平面形状。此外，将振动构件10处理成预定的形状。此时，已经对压电物质22和32执行了平坦化处理。接下来，使用诸如环氧树脂之类的粘合剂将第一压电振子20和第二压电振子30固定到振动构件10。同时，可以在将第一压电振子20和第二压电振子30固定到振动构件10之前或之后将振动构件10固定到支架40。例如，支架40由诸如不锈钢之类的金属形成。这里，可以将第一压电振子20设置为具有Φ 18mm的 外径、Φ 12mm的内径和100 μ m的厚度。此外，可以将第二压电振子30设置为具有Φ 3mm的外径和IOOym (O. Imm)的厚度。此外例如，可以使用具有8 μ m厚度的银/钯合金(例如，具有7 3的重量比)作为上电极24和36以及下电极26和36。此外，作为振动构件10，可以使用具有Φ 20mm的外径和50 μ m(O. 05mm)厚度的磷青铜。例如，支架40是具有Φ22πιπι的外径和Φ20πιπι的内径的中空盒。接下来将描述使用振荡器作为扬声器的情况。如上所述，第一压电振子20的基频谐振频率低于第二压电振子30的基频谐振频率。因此，优选地，从第一压电振子20主要振荡具有相对低频率的声音，并且从第二压电振子30主要振荡具有相对高频率的声音。此外，可以提供多组振动构件10、第一压电振子20和第二压电振子30。在这种情况下，可以将振荡器用作参量扬声器。在这种情况下，控制单元50可以通过第一信号产生单元52向第一压电振子20原样输入对再现的声音加以表示的信号，并且可以通过第二信号产生单元54向小尺寸第二压电振子30输入参量扬声器的调制信号。当将振荡器用作参量扬声器时，在第二压电振子30中，例如，将等于或大于20kHz(例如IOOkHz)的声波用作信号运输波。此外，当将第一压电振子20用作普通扬声器时,例如将第一压电振子20的基频谐振频率设置为等于或小于IkHz。同时，通常压电振子具有高机械品质因子Q。因此，因为能量集中于基频谐振频率附近，声波的强度在谐振频率附近较高，但是声波在其他频带的衰减相对较大。另一方面，参量扬声器可以以单频振荡。因此，从改进扬声器效率的观点来看，优选地使用第二压电振子30作为参量扬声器。这里，将描述参量扬声器的原理。参量扬声器将来自多个振荡源中的每一个振荡源的执行了 AM调制、DSB调制、SSB调制或FM调制的超声波发射到空气中，并且当超声波传播到空气中时基于非线性特性来发出听得见的声音。术语“非线性”在这里表示当利用流体的惯性动作和粘性动作之比表达的雷诺数增加时，发生从层流到湍流的转变。因为声波在流体内受到的干扰很轻微，因此声波非线性地传播。具体地，在超声波频带，可以容易地观察到声波的非线性。当将超声波发射到空气中时，显著地产生与声波的非线性相关联的高次谐波。此外，声波是疏密波，其中分子密度在空气中具有疏密分布。当空气分子用于恢复的时间长于用于压缩的时间时，在压缩之后不能够恢复的空气与继续传播的空气分子碰撞，从而发生冲击波。通过这种冲击波产生听得见的声音。接下来将描述该实施例的操作和效果。在该实施例中，当第一压电振荡器20在基频谐振频率下振动时，第二压电振子30与在振动构件10中产生的振动回路重叠。因此，当第一压电振子20在基频谐振频率附近振动时，第二压电振子30极大地振动。此外，第一压电振子20的基频谐振频率低于第二压电振子的基频谐振频率30。因此，当第一压电振子20在基频谐振频率附近振动时，在第二压电振子30中不会发生谐振，因此可以将其看作是平板。因此，当第一压电振子20在基频谐振频率附近振动时，第二压电振子30极大地振动，使得可以在保持输出的同时实现尺寸减小。此外，因为第一压电振子20和第二压电振子30的基频谐振频率彼此不同，可以从第一压电振子20和第二压电振子30有效地产生具有彼此不同的频率的声波。此外，当将振荡器用作扬声器时，通过同时驱动第一压电振子20和第二压电振 子30引起声波彼此干涉，因此可以增加声压级别。此外，当使第二压电振子30用作参量扬声器时，可以再现具有高方向性的声音。具体地，当将第一压电振子20用作普通扬声器，并且将第二压电振子30用作参量扬声器时，在第一压电振子20和第二压电振子30中再现了不同的声音，使得可以只让在特定位置的人听见通过第二压电振子30再现的声音，并且让在其他位置的人只听到通过第一压电振子20再现的声音。甚至当将除了第一压电振子20之外的扬声器用作普通扬声器时也可以获得这种效果。(第二实施例)图4是示出了根据第二实施例的振荡器的第一压电振子20的结构的分解透视图。根据实施例的振荡器具有与根据第一实施例的振荡器相同的结构，不同之处在于第一压电振子20具有交替地层叠多个压电物质22和电极24的结构，并且第二压电振荡器30也具有相同的结构。压电物质22的极化方向对于每一个层彼此切换并且彼此交替。在实施例中，也可以获得与第一实施例相同的效果。此外，因为第一压电振子20和第二压电振子30具有交替地层压多个压电物质22和32以及电极24和34的结构，第一压电振子20和第二压电振子30的膨胀和收缩量增加。因此，可以增加振荡器的输出。(第三实施例)图5是示出了根据第三实施例的振荡器的平面图，图6是沿图5的A-A’线得到的截面图。根据实施例的振荡器具有与根据第一实施例的振荡器相同的结构，不同之处在于其中包括第一屏蔽构件12。第一屏蔽构件12埋入在振动构件10中，并且当在平面图中观看时位于第一压电振子20的中空部21中。第一屏蔽构件12包围第二压电振子30，并且由纵向弹性模量小于振动构件10的纵向弹性模量的材料(例如树脂)形成。在附图所示的示例中，当沿厚度方向观看时，将第一屏蔽构件12设置在整个振动构件10上，但是可以将第一屏蔽构件12设置在振动构件10的一部分上，例如只设置在表面一侧或者只设置在背部一侧。在该实施例中，也可以获得与第一实施例相同的效果。此外，提供第一屏蔽构件12，从而当第一压电振子20振动时，可以抑制振动传播至第二压电振子30。此外，通过将第一屏蔽构件12定位于当第二压电振子30在基频振动频率下振动时的振动节点处，可以减小节点的刚性，并且形成振动中的自由端。在这种情况下，因为扩展了振动构件的可移动范围，可以增加第二压电振子30的振动输出。此外，因为插入了第一屏蔽构件12，可以抑制当振荡器下落时对于第二压电振子30的震动的传播。因此，改进了振荡器的可靠性。
(第四实施例)图7是示出了根据第四实施例的振荡器的平面图，图8是沿图7的线A-A’得到的截面图。根据该实施例的振荡器具有与根据第三实施例的振荡器相同的结构，不同之处在于其中包括第二屏蔽构件14。第二屏蔽构件14埋入在振动构件10中，并且当在平面图中观看时包围第一压电振子20。第二屏蔽构件14由纵向弹性模量小于振动构件10的纵向弹性模量的材料(例如树脂)形成。第二屏蔽构件14的材料可以与第一屏蔽构件12的材料相同，也可以与其不同。此外，在附图所示的示例中，当沿厚度方向观看时，将第二屏蔽构件14设置在整个振动构件10上，但是可以将第二屏蔽构件14设置在振动构件10的一部分上，例如只设置在表面一侧或者只设置在背部一侧。 在实施例中，也可以获得与第三实施例相同的效果。此外，通过将第二屏蔽构件14定位于当第一压电振子20在基频振动频率下振动时的振动节点处,可以减小节点的刚性，并且形成振动中的自由端。在这种情况下，因为扩展了振动构件的可移动范围，可以增加第一压电振子20的振动输出。此外，因为插入了第二屏蔽构件14，可以抑制当振荡器下落时对于第一压电振子20和第二压电振子30的震动的传播。因此，改进了振荡器的可靠性。(第五实施例)图9是示出了根据第五实施例的振荡器的截面图。该振荡器具有与根据第一实施例的振荡器相同的结构，不同之处在于振动构件10的两侧都配置有第二压电振子30。也就是说，在该实施例中，振荡器的压电振子具有双压电结构，其中通过压电振子约束了振动构件10的两侧。着两个压电振子30可以是形状彼此相同的，也可以是形状彼此不同的。同时，在如图10所示的实施例中，也可以将第一压电振子20设置在振动构件10的两侧上。在实施例中，可以获得与第一实施例相同的效果。此外，因为压电振荡器具有双压电结构，可以获得更大的振动。(第六实施例)图11是示出了根据第六实施例的振荡器的平面图。该振荡器具有与根据第一实施例的振荡器相同的结构，不同之处在于第二压电振子30的平面形状是矩形，例如正方形。在实施例中，可以获得与第一实施例相同的效果。同时，第二压电振子30的平面形状不局限于第一实施例和该实施例所示的形状。此外，第一压电振子20的平面形状不局限于上述每一个实施例中的形状。(第七实施例)图12是示出了根据第七实施例的振荡器的截面图。该振荡器具有与根据第一实施例的振荡器相同的结构，不同之处在于部分地改变振动构件10的厚度。在该实施例中，振动构件10包括在与第二压电振子30重叠的部分中、并且在与第二压电振子30的相背一侧上的表面内的凸起部11。在实施例中，可以获得与第一实施例相同的效果。此外，可以通过部分地改变振动构件10的厚度来调节振荡器件的振荡特性。制造了如图1、4、5、7、9、10、11和12中所示的振荡器，并且检查了每一个振荡器的特性(示例I至8)。在所述示例中，使振荡器用作参量扬声器。此外，作为比较示例，制造了与示例I至8具有相同平面面积的电动振荡器，并且检查其特性。在表I中示出了结果。表I
权利要求
1.一种振荡器,包括 片状振动构件； 第一压电振子，所述第一压电振子附着于所述振动构件的一个表面，具有中空部，并且具有平面形状； 第二压电振子，所述第二压电振子附着于所述振动构件的所述一个表面，并且当在平面图中观看时位于所述第一压电振子的所述中空部中；以及支架，所述支架支撑所述振动构件的边缘， 其中所述第一压电振子的基频谐振频率低于所述第二压电振子的基频谐振频率，以及当以所述基频谐振频率驱动所述第一压电振子时，所述第二压电振子与在所述振动构件中产生的振动回路重叠。
2.根据权利要求I所述的振荡器，还包括第一屏蔽构件，所述第一屏蔽构件埋入所述振动构件中，当在平面图中观看时位于所述第一压电振子的所述中空部中，包围所述第二压电振子，并且由纵向弹性模量低于所述振动构件的纵向弹性模量的材料形成。
3.根据权利要求2所述的振荡器，其中所述第一屏蔽构件由树脂形成。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的振荡器，还包括第二屏蔽构件，所述第二屏蔽构件埋入所述振动构件中，当在平面图中观看时位于所述第一压电振子和所述支架之间，包围所述第一压电振子，并且由纵向弹性模量低于所述振动构件的纵向弹性模量的材料形成。
5.根据权利要求4所述的振荡器，其中所述第二屏蔽构件由树脂形成。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的振荡器，其中所述第一压电振子是环形的。
7.根据权利要求6所述的振荡器，其中所述第二压电振子是圆形的。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的振荡器，其中所述振荡器是声波传感器的振荡源。
9.根据权利要求8所述的振荡器，还包括控制单元，所述控制单元在所述第一压电振子中产生具有第一频率的声波，并且在所述第二压电振子中产生具有高于所述第一频率的第二频率的声波。
10.根据权利要求I至7中任一项所述的振荡器，其中所述振荡器是扬声器， 提供多组所述振动构件、所述第一压电振子和所述第二压电振子，以及 所述振荡器还包括控制单元，所述控制单元向所述第一压电振子原样输入对再现的声音加以表不的信号，并且向所述第二压电振子输入参量扬声器的调制信号。
全文摘要
当在平面图中观看时，第二压电振子(30)位于第一压电振子(20)的中空部(21)中。支架(40)是框状构件，并且其内表面支撑振动构件(10)的边缘。所述第一压电振子(20)的基频谐振频率低于所述第二压电振子(30)的基频谐振频率。此外，当以所述基频谐振频率驱动所述第一压电振子(20)时，所述第二压电振子(30)与在所述振动构件(10)中产生的振动回路重叠。优选地，所述第二压电振子(30)的中心与所述第一压电振子(20)在所述振动构件(10)中产生的振动回路的中心重叠。
文档编号H04R1/24GK102959991SQ201180031449
公开日2013年3月6日 申请日期2011年7月7日 优先权日2010年7月23日
发明者大西康晴, 黑田淳, 菰田元喜, 佐藤重夫, 村田行雄, 岸波雄一郎, 川岛信弘 申请人:日本电气株式会社