覆模制阻抗匹配装置。以梁形式的大致为矩形的压电双晶片141 在其每个主要表面上设置有软弹性体143层形式的阻抗匹配装置。在一示例中，弹性体可 以具有A30的肖氏硬度。软弹性体143的合适厚度为0. 5_。压电双晶片141设置有弹性 体支撑142形式的额外的阻抗匹配装置。每个支撑可包括例如肖氏硬度A70的硬弹性体。 设置两个支撑，定位在压电双晶片或谐振元件141的任一端，形成用于压电致动器的简单 支撑或支脚。应该注意的是，在图示的例子中，弹性体143层在压电双晶片的整个表面上延 伸达支撑142。通过硬弹性体支撑或支脚142 (其可能具有的厚度为Imm)，将简单支撑压电 致动器140安装到机械地面13。压电元件141的端部或周边终止于硬弹性体支脚142内。 支脚142可以配置成握住压电元件141的周边的一部分。支脚可以沿着元件141的整个宽 度延伸。功率144通过软弹性体层耦合到负载，未示出但其可以例如是耳廓或扬声器的面 板。软弹性体143层和硬弹性体支脚142 -起形成包覆模制阻抗匹配装置。
[0094] 在图13中，示出了根据本发明一方面的优化的惯性压电致动器150的示例，具有 替代的包覆模制阻抗匹配装置。以梁形式的大致平面的压电双晶片151由软弹性体153层 形式的包覆模制阻抗匹配装置围绕。弹性体的合适的肖氏硬度为A20。软弹性体153的合 适厚度为〇. 5_。压电双晶片151还设置有定位在压电双晶片或谐振元件151中心的阻抗 匹配装置，形成用于压电致动器的从换能器到负载23的耦合器152。耦合器152可以是硬 聚合物耦合器152的形式，其合适的肖氏硬度是A或D100。耦合器152可以成形为围绕双 晶片151的中心部分。惯性压电致动器150通过耦合器152被安装到要被驱动的负载23。 软弹性体层153形成到在压电双晶片151和负载23之间延伸的支脚155中。在图示的例 子中，设置两个支脚，分别在双压电晶片的每一端，例如位于从压电双晶片151的端部的路 径的1/3处。支脚155用作"捕手"，用于支撑具有软弹性体层153的压电谐振器。支脚155 被设计成具有显示出灵活性的几何形状，由于该设计，允许压电元件151振动，而不受限制 或不必要地限制。这允许优化的设计操作，如以上所讨论。本领域技术人员根据对系统角 动量的分析要理解的是，从压电元件端部的1/3位置处是对于支脚155的最佳位置。功率 154通过硬聚合物耦合器152被耦合到负载23,其可以例如是扬声器的面板。
[0095] 在图12和13的示例中，压电元件大致为矩形，但它们并不局限于这种形状。
[0096] 在图14中，沿如图7所示的未修改的压电致动器的速度特性，示出具有包覆模制 层的图12的优化的简单支撑压电致动器的作为频率函数的速度。优化的压电致动器的性 能显著地好于如图10所示的非优化的压电致动器，并且趋向于未修改的压电致动器。示出 了速度特性，并且趋向于未修改的，并且在某些频率就未修改的来说已经有所改善，但如上 面所讨论，阻抗匹配装置的参数被选择成提供换能器和负载之间所需的阻抗匹配，且因此 将功率从换能器耦合到负载现在将趋向于所期望或所需要的那样。
[0097] 在图15中，沿着如图7所示的未修改的压电致动器的速度特性，示出了具有包覆 模制层的图13的优化的惯性压电致动器的作为频率函数的速度。优化的压电致动器的性 能显著地好于如图11所示的非优化的压电致动器，并且趋向于未修改的压电致动器，并且 在某些频率就未修改的来说确实提高了。示出了速度特性，并且趋向于未修改的压电致动 器，并且确实在某些频率就未修改的来说已经有所改善，但是如上面所讨论，阻抗匹配装置 的参数被选择成提供换能器和负载之间所需的阻抗匹配，且因此将功率从换能器耦合到负 载将趋向于所期望或所需要的那样。
[0098] 在图16中，示出了根据本发明一方面的用于简单支撑压电致动器180的端部安装 的例子的示意图，其示出了如图12所示的压电致动器的简单支撑的一端。简单支撑装置包 括硬弹性体支脚142,其内安装了压电谐振元件141的端部或周边。支脚142的合适的肖氏 硬度是70。示出了元件141的平移刚度k和旋转刚度kr。在简单支撑压电致动器中，如上 所述以及如图1所示，对于被限制平移的压电元件141即如图16所示的压电元件141的端 部来说的理想情况应该被限制在如图所示的支脚的范围的方向上移动。然而，压电梁应该 可绕着位于梁或元件141的端部或周边的点自由旋转。
[0099] 这意味着，平移刚度K应该很高，旋转刚度kr应该很低。随着k的值从非常高的 水平降低，压电梁141的端部能够平移，这意味着安装趋于远离理想的简单支撑。随着kr 的值从低水平增加，从压电致动器的力输出由支脚142而有效地变短路，力输出通过支脚 而被耦合。这意味着，对于图16所示和图12所示的简单支撑的例子，力通过支脚142而被 耦合到机械地面13。对于真实材料来说，k不是无限大，kr不是零，这意味着如图16所示 的优化的简单支撑端部终止的示例不是理想的简单支撑安装。这意味着，压电元件141的 端部能够平移，并且不能像理想的简单支撑结构那样自由旋转，其结果是，压电元件141所 绕之旋转的位置从元件的端部向内移动，其中该旋转位置在图16中示出为位置183。另外， "支脚"的有限长度，即硬弹性体支脚142内的压电谐振元件141的端部或周边的有限长度， 将旋转点从梁的端部有效地转移至支脚的中点。这是可以被改变以改善阻抗匹配的参数。
[0100] 通常，采用简单的材料，k和kr是密不可分的，因此不可能实现理想的简单支撑安 装构造。对于其中提供简单支撑支架12以得到理想的简单支撑的理想的简单支撑情况的 图1所示的端部安装构造或者提供如图12和16所示的优化的简单支撑情况的一个示例的 端部安装装置可以被认为为压电装置的周边或端部形成边界条件。然后，可以选择安装装 置的参数，为压电装置的周边或端部提供所需的边界条件，由此提供了换能器和负载之间 的期望的功率、力或速度耦合。
[0101] 所要选择的安装装置的参数包括：材料，其可以是软的或硬的弹性体、橡胶材料、 聚合物材料或任何其它合适的材料；形成安装装置的材料的硬度、刚度、杨氏或剪切模量或 其它材料特性；安装装置的厚度和几何形状，以及用于人工约束形成安装装置以有效改变 其材料特性的材料的任何装置。前述并非可被选择以便实现期望的阻抗匹配的参数的详尽 清单。
[0102] 然而，可以结合工程和材料科学来改善具有非无限大平移刚度和非零旋转刚度的 真实材料的负面副作用。例如，橡胶的特征在于低剪切刚度，但是具有高的体积模量（它们 几乎不可压缩）一一典型值列于下表。在每种情况下，泊松比几乎等于1/2,所以杨氏模量 接近剪切模量的3倍，体积模量通常超过剪切模量的1000倍。
[0103]
【主权项】
1. 一种换能器，在操作频率范围内具有机械阻抗，并且在操作频率范围内具有至负载 的期望的功率耦合，所述换能器包括： 压电装置，其在操作频率范围内具有模式的频率分布；和 包覆模制，其中， 所述包覆模制布置成包围所述压电装置的至少一部分；以及 所述包覆模制的参数选择成提供所述换能器的机械阻抗和所述负载的机械阻抗之间 所需的阻抗匹配，由此， 提供了所述换能器和负载之间的期望的功率耦合。
2. 根据权利要求1所述的换能器，其中，所述包覆模制包括弹性体。
3. 根据权利要求2所述的换能器，其中，所述弹性体具有的肖氏A硬度达40。
4. 根据权利要求3所述的换能器，其中，所述弹性体具有的肖氏A硬度为20。
5. 根据权利要求3所述的换能器，其中，所述弹性体具有的肖氏A硬度为30。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述包覆模制包括层，所述层具有 横向尺寸以及限定该层厚度的、垂直于所述横向尺寸的尺寸，其中，所述层在垂直于所述横 向尺寸的方向上提供相对高的刚度，并且所述层在平行于所述横向尺寸的方向上提供相对 低的刚度。
7. 根据权利要求6所述的换能器，其中，所述层的厚度为0. 5mm。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述包覆模制结合至所述压电装 置的面的全部或相当一部分。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述包覆模制封装所述压电装置。
10. 根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述包覆模制包括用于将所述压 电装置安装到所述负载的耦合装置。
11. 根据权利要求1至9中任一项所述的换能器，还包括用于将所述压电装置安装到所 述负载的耦合装置。
12. 根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述包覆模制包括用于将所述压 电装置安装到机械地面的装置。
13. 根据权利要求10、11或12所述的换能器，其中，用于将所述压电装置安装到所述负 载的耦合装置包括： 简单支撑装置。
14. 根据权利要求10至13中任一项所述的换能器，其中，所述耦合装置包括硬弹性体。
15. 根据权利要求14所述的换能器，其中，所述硬弹性体具有的肖氏A硬度达90,优选 为70。
16. 根据权利要求10至15中任一项所述的换能器，其中，所述耦合装置包括在所述压 电装置的周边安装在相对位置的支脚，以提供所述简单支撑装置。
17. 根据权利要求16所述的换能器，其中，所述支脚具有的厚度为1mm。
18. 根据权利要求1至9中任一项所述的换能器，用于将所述压电装置安装到所述负载 的耦合装置包括： 惯性装置。
19. 根据权利要求18所述的换能器，其中，所述耦合装置包括硬聚合物。
20. 根据权利要求19所述的换能器，其中，所述硬聚合物具有的肖氏A或肖氏D硬度达 150〇
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