专利名称：压电声学元件，声学设备以及便携式终端设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用压电元件作为振动源的压电声学元件，以及一种具有该压电声学元件的声学设备和便携式终端设备，其中所述的压电声学元件使用了压电元件作为振动源。
背景技术：
使用压电元件作为振动源的压电声学元件具有各种优点，例如紧凑，轻便，节能以及并不会泄漏磁通，并且因此被期望用作便携式终端设备的声学部分。特别地，由于与传统的电磁声学元件相比显著地降低了安装体积，因此该压电声学元件被认为是进一步降低便携式电话体积的关键技术。
但是，该压电声学元件的声源是根据压电元件的变形而弯曲的振动板。因此，为了确保再现声音所需的声压等级，该振动板必须弯曲到一定程度以上并且需要较大的振动板。例如，在传统的压电声学元件中，为了获得90[dB]的声压，当1[V]的电压被加到压电元件上时，就需要有直径为20[mm]的振动板，并且从而导致该压电声学元件丧失了例如紧凑和轻便的优点。
接下来，对传统压电声学元件的频率特性进行描述。该压电声学元件具有如下问题。
(1)在听觉范围内出现基本谐振频率。
(2)包括了频率特性，从而在该谐振频率附近生成一个非正常的声压，以及(3)由于被用作压电元件的压电材料的陶瓷具有很高的硬度，因此该基本谐振频率就会变高，并且在低频范围内无法获得足够的声压。
为了如实地再现原始声音，该基本谐振频率必须被调整为500[Hz]或更低。因此，在日本专利特开No.2-127448披露的技术中，使用碳板(伸展石墨板)作为振动板以改进频率特性。此外，已知，通过将振动板形成为椭圆形从而可以在一定程度上改善频率特性。
接下来，对传统压电声学元件的频率-声压特性进行描述。如上所述，该传统的压电声学元件使用压电元件作为振动源。就压电元件的压电材料而言，通常使用在弹性振动期间机械能损耗很小的陶瓷材料等。因此，在谐振点附近能够获得非常高的声压，但是在除了谐振以外的频率范围内将出现具有振幅变化很大的不规则的频率-声压特性。当频率-声压特性的振幅变化很大时，只有特定频率处的声音得到了加强，且因此声音质量将退化。因此，在日本实用新型特开第63-81495号披露的技术中，压电振动器埋置在弹性泡沫中，以使得该频率-声压特性平滑。此外，日本特开专利第60-208399号披露了一种技术，其中该技术通过泡沫来支撑薄声学元件的外沿从而使频率-声压特性平滑，其中所述的泡沫在其表面形成有粘合层。
日本专利特开第2-127448号[专利文献2]日本实用新型特开第63-81495号[专利文献3]日本专利特开第60-208399号发明内容本发明要解决的问题可以通过利用日本特开专利第2-127448号中披露的技术或利用椭圆振动板来解决上述的问题(1)和(2)，但是声压特性将会极大地退化。此外，根据日本实用新型特开第63-81495号以及日本特开专利第60-028399中披露的技术，可以在一定程度上平滑该频率-声压特性。但是，无法将该频率-声压特性改进到足以再现原始声音的程度。此外，它导致了声压特性整体上的退化。如上所述，很难实现这样一种压电声学元件，即该压电声学元件具有极好的频率特性和频率-声压特性，并且同时保持了体积紧凑，并具有低功耗的特点。
解决问题的手段本发明的一个目的就是实现一种压电声学元件，其中该压电声学元件小且轻便、节能，以及具有极好的声学特性。
为了达到上述目的，该压电声学元件包括中空外壳，其中该中空外壳具有至少一个开口；位于该外壳中的压电元件，并且当向其施加电压时该压电元件会弯曲；以及设置在该外壳的开口处的振动膜，该压电元件以及振动膜通过振动传递部件相连，当压电元件弯曲时，该振动膜振动并且发出声音。该压电元件沿长度方向上的一端或两端可以直接与外壳的内表面固定在一起，或通过支撑部件与外壳的内表面固定在一起。该支撑部件可以是弹性的或非弹性的。
可以分别设置两个或更多的振动膜以及振动传递部件，并且两个或更多的振动膜和/或振动传递部件可以至少在以下的其中一个方面彼此不同，所述的方面是厚度、材料、以及尺寸。彼此相对地设置两个振动膜，使得压电元件位于它们之间，并且两个振动膜可以通过各自的振动传递部件与压电元件相连。弹性板可以与压电元件相连，并且与该压电元件相连的弹性板也可以通过振动传递部件与振动膜相连。
具有层叠结构的压电元件可以被用作振动源，其中在该层叠结构中，导电层和压电材料层交替地层叠。此外，作为振动传递部件，可以使用弹簧。进一步地，对于振动膜，至少可以使用如下这些膜的其中之一聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、聚醚砜膜，聚酯膜，以及聚丙烯膜。
根据本发明的声学设备或便携式终端设备配备有本发明的压电声学元件。
在本发明的压电声学元件中，由于作为振动源的压电元件以及振动膜通过弹性振动传递部件相连，因此该压电元件的弯曲度以及该振动传递部件的弹性恢复可以相互增效，并且该振动膜较大幅度地振动。因此，即使该压电元件的弯曲度较小，该振动膜也将较大幅度地振动，从而获得足够的声压。此外，即使使用了具有较小表面积的振动膜，也能够获得足够的声压。因此，能够实现具有极好的声压特性和频率特性的压电学元件，并同时保持尺寸和厚度的减小、低功耗以及低成本。此外，当具有这些特征的压电声学元件被用作声学设备以及便携式终端设备中的声学部分时，在这些设备中也能实现减小的尺寸和厚度、低功耗，以及更高的声音质量。
下面的说明书和附图示出了本发明的实例，本发明的上述及其他目的，特征以及优点将从下面的说明书和附图中变得明显。
附图简要说明
图1A示出了根据实施例1的压电声学元件的结构的长度方向截面图。
图1B示出了振动膜的振动位移状态的长度方向截面图。
图1C示出了振动膜的振动位移状态的长度方向截面图。
图2示出了根据实施例2的压电声学元件的结构的长度方向截面图。
图3示出了根据实施例3的压电声学元件的结构的长度方向截面图。
图4示出了根据实施例4的压电声学元件的结构的长度方向截面图。
图5示出了根据实施例5的压电声学元件的结构的长度方向截面图。
图6示出了根据实施例6的压电声学元件的结构的长度方向截面图。
图7示出了配置在根据实施例7的压电声学元件中的压电元件的结构的透视分解图。
图8示出了根据实施例8的压电声学元件的结构的长度方向截面图。
图9A示出了根据实例1的压电声学元件的结构的长度方向截面图。
图9B示出了根据实例1的压电声学元件的结构的横向截面图。
图10示出了图9中所示的压电元件的结构的透视分解图。
图11示出了图9中所示的振动传递部件的侧视图。
图12A示出了根据实例2的压电声学元件的结构的长度方向截面图。
图12B示出了根据实例2的压电声学元件的结构的横向截面图。
图13A示出了根据实例3的压电声学元件的结构的长度方向截面图。
图13B示出了根据实例3的压电声学元件的结构的横向截面图。
图14示出了根据实例4的压电声学元件的结构的长度方向截面图。
图15示出了根据实例5的压电声学元件的结构的长度方向截面图。
图16示出了图15中所示的压电元件的结构的透视分解图。
图17示出了根据实例6的压电声学元件的结构的长度方向截面图。
图18示出了图17中所示的压电元件和弹性板的结构的透视放大图。
图19示出了根据实例7的压电声学元件的结构的长度方向截面图。
图20示出了图19中所示的压电元件和弹性板的结构的透视放大图。
图21示出了根据实例8的压电声学元件的结构的长度方向截面图。
图22示出了图21中所示弹簧的透视放大图。
图23示出了根据比较实例1的声学元件的结构的长度方向截面图。
图24示出了根据比较实例2的声学元件的结构的长度方向截面图。
图25示出了根据比较实例3的声学元件的结构的长度方向截面图。
图26示出了根据比较实例4的声学元件的结构的长度方向截面图。
参考标记1 压电声学元件2 底面3 开口5 外壳6 支撑部件7 压电元件8 振动膜9 振动传递部件10 上表面11 顶面12 空间13 下表面15 弹性板16 下绝缘层17 上绝缘层18 导电层19 压电材料层20 电极焊盘21 泡沫橡胶
22 上部件23 下部件25 支柱部件30 声学元件31 外壳32 压电元件33 支撑部件34 底35 孔36 连接部件37 振动板38 永磁体39 音圈40 振动板41 电极端子用于实现本发明的最佳模式(实施例1)下文中，将对根据本发明的压电声学元件的实施例进行说明。图1A-1C示出了根据本实施例的压电声学元件的示意性结构的长度方向截面图。如图1A所示，根据本实施例的压电声学元件1具有中空外壳5，其中在该中空外壳5的底面2上形成有开口3，压电元件7，其一端(固定端)通过支撑部件6固定到外壳5的内表面，以及振动膜8，其在外壳5的开口3上展布。压电元件7的另一端(自由端)通过振动传递部件9与振动膜8相连。支撑部件6以及振动传递部件9都是由弹性材料制成的。此外，在压电元件7的上表面10与外壳5的顶面11之间形成了空间12，其高度为(h)。
被施加了电压的压电元件重复伸展和收缩动作，压电元件的伸展和收缩动作通过振动传递部件9被传递给振动膜，并且振动膜8上下振动。更具体地，如图1B所示，当以固定端为支点时，向其施加正向或反向电压的压电元件7向上弯曲，并且振动膜8在相同的方向上变形。同时，空间12起到间隙的作用，用于允许压电元件7向上变形。另一方面，如图1C所示，当以固定端为支点时，向其施加反向或正向电压的压电元件向下弯曲，并且振动膜8在相同的方向上变形。通过这种方式，当向压电元件7施加交流电压时，振动膜8连续地上下变形(振动)，并发出声音。在这种结构中，在根据本实施例的压电声学元件1中，压电元件7和振动膜8通过弹性振动传递部件9连接在一起。因此，振动传递部件9根据压电元件7的伸展和收缩动作弹性地变形，并且产生斥力。因此，该压电元件7的伸展和收缩动作得到了提升，振动膜8的振动位移量增加，并且加强了声压。进一步，由于与振动传递部件9相连的压电元件7的重量增加了，因此在压电元件7的伸展和收缩动作期间施加了更大的惯性力，并且所发出声音的基本谐振频率也被降低。另外，由于压电元件7的固定端通过弹性支撑部件6固定到外壳5，以及自由端通过弹性振动传递部件9与振动膜8相连，因此即使由于坠落等原因而使得该外壳5受到冲击，大部分冲击也都被支撑部件6和/或振动传递部件9所吸收，从而避免了压电元件7的损坏。
图1中的压电元件7具有多层结构，该多层结构是通过顺序地层叠下绝缘层，下电极层(导电层)，压电材料层，上电极层(导电层)，以及上绝缘层而形成的。当锆酸或锆钛酸铅(PZT)被用作压电材料层的材料时，能够降低陶瓷烧结之后的热变形，并且压电元件的稳定性得到改进。此外，可以省去陶瓷烧结后的使其平滑的步骤例如抛光，并且因此降低了制造成本。进一步，银或银/钯合金被用作电极层的材料，当电极层和压电材料层整体烧结时，可以降低烧结变形，并且因此，可以很容易地通过整体烧结来制造该压电元件。不用说，对于压电材料层和电极层的材料，除了上述材料以外，可以适当地选择及使用现有的材料。
传统的压电声学元件只生成加重特定频率的声音。其原因就是当压电声学元件被视为电子电路元件的等效物时，Q因数太高。因此，当图1中所示的振动膜由具有较低的Q因数的材料制成时，抑制了压电元件的Q因数，并且可以使得频率更平均。此外，当振动膜8由具有抵抗位移的材料制成时，可以获得较高的声压。此外，当使用易于制造的材料制成振动膜8时，减少了膜厚度的变化，并且质量更稳定。全面地考虑上面问题，聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(PET薄膜)，聚醚砜膜(PES薄膜)，聚酯膜(PE薄膜)，以及聚乙烯(PP膜)都适于用作振动膜8的材料。
(实施例2)接下来，将对根据本发明的压电声学元件的另一个实施例进行说明。图2示出了根据本实施例的压电声学元件的示意性结构的长度方向截面图。如图2中所示，根据本实施例的压电声学元件的基本结构与实施例1相似。本实施例与实施例1的不同之处在于以下两点。一点就是压电元件7的固定端通过非弹性支撑部件6固定到外壳5的内表面。另一点是压电元件7的自由端与振动膜8相连。顺带说明，在图1中所示的压电声学元件1中，振动膜8连接至在沿长度方向上的压电元件7的近似中央位置与其自由端之间的任何位置处。在其固定端被固定至外壳5的压电元件7中，自由端的位移量是最大的。因此，自由端与振动膜8相连，从而使得振动膜8更有效地振动。换句话说，根据本实施例的压电声学元件1的优点就是，即使振动膜具有面积很小的表面，也能够确保足够的声压。
基于上述的说明，可以理解的是，当压电元件7变长时，自由端的变化量进一步增加，并且振动膜8能够以较大的幅度振动。此外，可以理解的是，适当地使压电元件7的长度以及振动膜8的面积相结合，从而降低了压电声音元件的尺寸，同时确保了所需的声压。
(实施例3)
接下来，将对根据本发明的压电声学元件的另一个实施例进行说明。图3示出了根据本实施例的压电声学元件的示意性结构的长度方向截面图。如图3中所示，根据本实施例的压电声学元件的基本结构与实施例1相似。本实施例与实施例1的不同之处在于，在长度方向上，压电元件7的两端通过支撑部件6a，6b都固定到外壳5的内表面。根据本实施例的压电声学元件1与实施例1的压电声学元件具有相同的结构并且具有相同的效果。进一步，该压电声学元件的特征在于在长度方向上压电元件7的两端被固定到外壳5的内表面，其优点在于进一步加强了压电元件7与外壳5之间的接合强度。
此外，再一个优点就是使两个支撑部件6a，6b的弹性系数、厚度、面积等不同，从而调节所发出的声音的基本谐振频率。顺便说明，在根据本实施例的压电声学元件1中，由于沿长度方向上压电元件7的两端都被固定到外壳5，因此沿长度方向上的压电元件7的大约中央位置与振动膜8相连。但是，压电元件7与振动膜8之间的连接并不限于图3中所示的位置。
(实施例4)接下来，将对根据本发明的压电声学元件的还一个实施例进行说明。图4示出了根据本实施例的压电声学元件的示意性结构的长度方向截面图。如图4中所示，根据本实施例的压电声学元件的基本结构与实施例1相似。本实施例与实施例1的不同之处在于以下两点。一点就是在外壳5的底面2上形成了两个独立的开口3a、3b，并且振动膜8a、8b在开口3a、3b上展布。另一点是一个压电元件7通过两个独立的振动传递部件9a、9b分别与两个振动膜8a、8b相连。
根据本实施例的压电声学元件1与实施例1的压电声学元件具有相同的结构并且具有相同的效果。进一步，该压电声学元件1的特征在于压电元件7通过两个独立的振动传递部件9a、9b分别固定到两个振动膜8a、8b，其优点在于，由于声音是从两个振动膜8a、8b发出的，所以能够获得更高的声压。此外，再一个优点就是使两个振动传递部件9a、9b以及两个振动膜8a、8b在厚度、重量、材料等方面彼此不同，从而为所发出的声音赋予了不同的谐振频率。这些优点表明，可以扩大可再现声音的频带。此外，当由于坠落等原因而使得该外壳5受到冲击时，该冲击被振动传递部件和支撑部件吸收，并且也不会被传递给压电元件，该优点与上述压电声学元件的类似。但是，在具有两个独立振动传递部件9a、9b的本实施例的压电声学元件1中，由于冲击被两个振动传递部件9a、9b分散和吸收，因此安全性被进一步加强。
(实施例5)接下来，将对根据本发明的压电声学元件的还一个实施例进行说明。图5示出了根据本实施例的压电声学元件的示意性结构的长度方向截面图。如图5中所示，根据本实施例的压电声学元件1与实施例4的压电声学元件的类似之处在于振动膜8a、8b在外壳5中形成的开口3a、3b上展布。本实施例与实施例4的不同之处在于两个开口3a、3b形成在外壳5的不同表面上。顺便说明，本实施例与实施例4的类似之处在于一个压电元件7通过两个独立的振动传递部件9a、9b与两个振动膜8a、8b相连。因此，通过这种结构而获得的操作和效果类似于实施例4的压电声学元件。但是，在本实施例的压电声学元件1中，由于振动膜8a、8b被配置在压电声学元件7的上侧和下侧(两侧)，因此可以使得压电声学元件7比实施例4的压电声学元件更短。进一步，当振动膜8a、8b的每一个都具有相同的表面积时，配置两个振动膜8a、8b所需的空间可以比根据实施例4的振动膜8a、8b更小。
配置在如图4和5所示的压电声学元件1中的振动膜8a、8b的表面积都小于图1所示的压电声学元件1的表面积(压电声学元件1具有一个振动膜8)。但是，在图4和5所示的压电声学元件1中，由于两个振动膜8a、8b同时振动，因此可以获得与图1所示的压电声学元件1相同等级的声压。
(实施例6)接下来，将对根据本发明的压电声学元件的还一个实施例进行说明。图6示出了根据本实施例的压电声学元件的示意性结构的长度方向截面图。如图6中所示，根据本实施例的压电声学元件1类似于实施例1的压电声学元件。本实施例与实施例1的不同之处在于将弹性板15配置在压电声学元件7的底面上。本实施例的压电声学元件1具有与实施例1的压电声学元件1相同的基本结构，并且具有相同的操作和效果。
但是，与不具有任何弹性板15的同类压电元件相比，与弹性板15集成在一起的压电声学元件7显示出具有更低的刚度，并且因此，随着弯曲，位移量增加了。换句话说，相比于不具有弹性板15的同类压电元件，图6所示的压电元件7能够使振动膜8更大幅度地振动。考虑到这些点，弹性板15的厚度优选占压电元件7厚度与弹性板15厚度之和的八分之一或更多。此外，与不具有任何弹性板15的同类压电元件相比，由于与弹性板15集成在一起的压电元件7的重量增加了，因此当压电元件7弯曲时施加了更大的惯性力，并且所发出的声音的基本频率也被进一步降低。
此外，当弹性板15由例如金属的具有更大质量的材料构成时，在压电元件7弯曲的同时，就会施加更大的惯性力，并且因此进一步降低了基本频率。这表明，通过向压电元件7增加廉价的弹性板，可以对压电元件7的位移量以及所发出的声音的谐振频率进行调节，而不需要改变昂贵的压电陶瓷的尺寸和形状。另外，与弹性板15集成在一起的压电元件7在耐久性方面也得到了改进，并且很难出现破裂等。对于金属弹性板15的材料，例如，黄铜是合适的。
当具有高弹性系数的板簧被用作弹性板15时，压电元件7的表观弹性增加了，并且当施加电压时，压电元件7的位移量也增加了。此外，当在板簧上形成了裂缝时，压电元件7的表观弹性进一步增加，并且减小了板簧与压电元件7之间的连接面积，从而使得制造变得很容易。
(实施例7)接下来，将对根据本发明的压电声学元件的还一个实施例进行说明。根据本实施例的压电声学元件1的基本结构类似于实施例1的压电声学元件。本实施例与实施例1的不同之处在于作为振动源的压电元件7的结构。图7示意性地示出了配置在根据本实施例的压电声学元件中的压电元件的结构。压电元件7具有多层结构(层叠结构)，其中导电层18和压电材料层19被交替地层叠在下绝缘层16和上绝缘层17之间。已知，如图7中所示，多层结构的压电元件7是节能的，并且比实施例1的压电元件7具有更大的振动位移量。因此，本实施例的压电声学元件的优点就是使用较少的功率就可以得到足够的声压。此外，通过制造时的导电层材料的烧结促进作用，可以防止图7中所示的压电元件7在烧结期间发生位移或弯曲。因此，提供了高度平整性而不需要施加其他平整处理，并且图6中所示的弹性板15等可以无间隙地连接。
(实施例8)接下来，将对根据本发明的压电声学元件的还一个实施例进行说明。图8示出了根据本实施例的压电声学元件的示意性结构的长度方向截面图。如图8中所示，根据本实施例的压电声学元件1类似于实施例1的压电声学元件。本实施例与实施例1的不同之处在于振动传动部件9是一个类似于圆锥形的螺旋弹簧。本实施例的压电声学元件1具有与实施例1的压电声学元件相同的基本结构，并且具有相同的操作和效果。此外，螺旋弹簧9根据压电元件7的伸展和收缩动作重复能量存储和能量释放，从而促进了压电元件7的伸展和收缩动作。因此，本实施例的压电声学元件1的优点在于振动膜8的振动位移量很大，并且声压很高。此外，由于外壳5等坠落而导致的冲击被螺旋弹簧9吸收，可以防止压电元件7被损坏。螺旋弹簧9可以用板簧或涡簧来代替。在任何情况下，选择具有适当弹簧系数的弹簧，从而使得振动膜8的振动最大化，以获得高的声压。
(实例1)下面将参照实例来详细说明本发明的压电声学元件。图9A示出了根据实例1的压电声学元件的示意性结构的长度方向截面图，并且图9B为横向截面图。
在根据该实例的压电声学元件1中，具有图10所示结构的压电元件7被配置作为外壳5中的振动源，其中该外壳5由聚丙烯树脂构成，并且厚度为0.3[mm]。压电元件7的下绝缘层16以及上绝缘层17的长度为15[mm]，宽度为4[mm]，并且厚度为50[μm]。压电材料层19的长度为15[mm]，宽度为4[mm]，并且厚度为300[μm]。上电极层和下电极层(导电层)18的厚度均为3[μm]。因此，压电元件7的外部尺寸为长度15[mm]，宽度4[mm]，并且厚度为0.4[mm]。此外，锆钛酸铅(PZT)陶瓷被用于下绝缘层16、上绝缘层17以及压电材料层19，并且银/钯合金(重量比7∶3)被用于电极层18。进一步，通过印刷电路基板(green sheet)方法制造压电元件7，并在1100℃的氛围中烧结两个小时。此外，形成厚度为8[μm]的银电极作为外部电极，其中该外部电极用于与电极层18电连接。此外，通过极化处理在膜厚度方向上对压电材料层进行极化。通过厚度为8[μm]的铜箔将在上绝缘层17的表面上形成的电极焊盘20电连接。进一步，通过直径为1[mm]并且高度为0.5[mm]的焊接部分从电连接的电极焊盘20中引出直径为0.2[mm]的两个电极端子引线。
在根据本实例的压电声学元件中，图11中所示的锥状(corn)螺旋弹簧被用作振动传递部件9，其中该振动传动部件9将压电元件7与振动膜8连接在一起。该锥状螺旋弹簧的高度为0.4[mm]，最小螺旋半径(R1)为2[mm]，最大螺旋半径(R2)为4[mm]，并且由不锈钢丝制成。此外，如图9A所示，相应地，螺旋弹簧的最小螺旋半径表面与压电元件7的下表面13相连，而最大螺旋半径表面通过环氧树脂粘合剂与振动膜8相连。进一步，图9A和9B中所示的振动膜8为圆形聚对苯二甲酸乙二醇酯膜，其直径为15[mm]，厚度为0.1[mm]。
如图9B所示，具有本实例上述结构的压电声学元件1示出了近似于椭圆形的平面形状，总长度(L)为23[mm]并且总宽度(W)为16[mm]。此外，总高度(H)为1.5[mm]，其由以下部分组成振动膜8的厚度(0.1mm)+锥状螺旋弹簧9的高度0.4(mm)+压电元件7的厚度(0.4mm)+空间12的高度(0.3mm)+外壳5的厚度(0.3mm)。
(实例2)下面将参照另一实例来说明本发明的压电声学元件。图12A示出了根据实例2的压电声学元件的示意性结构的长度方向截面图，并且图12B为横向截面图。在根据本实例的压电声学元件1中，类似于实例1的压电元件，根据本实例的压电元件7与振动膜8a、8b相连，其中该振动膜8a、8b在形成在上侧和下侧的两个开口3a、3b上展布。在开口3a上展布的振动膜8a为厚度0.1[mm]的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜，并通过作为振动传递部件9a的锥状螺旋弹簧(高度为0.4mm)与压电元件7的上表面10相连。另一方面，在开口3b上展布的振动膜8b为厚度0.05[mm]的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜，并通过作为振动传递部件9b的锥状螺旋弹簧(高度为0.2mm)与压电元件7的下表面13相连。顺便说明，振动膜8a、8b的直径相同(10[mm])。
如图12B所示，根据本实例的压电声学元件1具有与实例1的压电声学元件实质上相同的形状。但是，根据本实例的压电声学元件1中的振动膜8a、8b的直径小于实例1的压电声学元件中的振动膜的直径(振动膜的表面积更小)。因此，根据本实例的压电声学元件1的总长度(L)为20[mm]并且总宽度(W)为11[mm]。特别地，根据本实例的压电声学元件1比根据实例1的压电声学元件小。此外，总高度(H)为1.15[mm]，其由如下部分组成振动膜8b的厚度(0.05mm)+锥状螺旋弹簧9b的高度(0.2mm)+压电元件7的厚度(0.4mm)+锥状螺旋弹簧9a的高度(0.4mm)+振动膜8a的厚度(0.1mm)。
顺便说明，根据本实例的压电声学元件1中的外壳5和压电元件7与实例1的压电声学元件中的外壳和压电元件类似。此外，根据本实例的的压电声学元件1中的锥状螺旋弹簧除了大小以外，与实例1的压电声学元件中的锥状螺旋弹簧类似。
(实例3)下面将参照还一个实例来说明本发明的压电声学元件。图13A示出了根据实例3的压电声学元件的示意性结构的长度方向截面图，并且图13B为横向截面图。在根据本实例的压电声学元件1中，在长度方向上，压电元件7的两端与泡沫橡胶21相连，该泡沫橡胶21与支撑部件6相连，并且支撑部件6与外壳5的内表面相连。特别地，在长度方向上，压电元件7的两端均通过泡沫橡胶21和支撑部件6与外壳5固定在一起。此外，在沿压电元件7长度方向上的近似中央处，下表面13通过作为振动传递部件9的锥状螺旋弹簧与振动膜8相连。在上表面10与外壳5的顶面11之间形成高度为0.3[mm]的空间12。通过与实例1的压电元件相同的材料以及相同的制造方法来制造压电元件7。此外，压电元件7的尺寸为长度20[mm]，宽度4[mm]，以及厚度0.4[mm]。对于锥状螺旋弹簧，使用了与实例1相同的锥状螺旋弹簧。进一步，该厚度0.1[mm]以及直径为18[mm]的圆形聚对苯二甲酸乙二醇酯膜被用作振动膜8。此外，外壳5的厚度为3[mm]。
从图13B中可以清楚的看到，本实例的压电声学元件1具有近似于圆形且直径(L)为22[mm]的平面形状，。此外，总高度为1.5[mm]。
(实例4)下面将参照还一个实例来说明本发明的压电声学元件。图14示出了根据实例4的压电声学元件的示意性结构的长度方向截面图。根据本实例的压电声学元件1，与实例1的压电元件同类的压电元件7与振动膜8a、8b相连，其中该振动膜8a、8b在两个开口3a、3b上展布，其中所述两个开口形成在外壳上侧和下侧。在两个开口3a、3b上展布的振动膜8a、8b为正圆形的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜，其直径为10[mm]，厚度为0.05[mm]。此外，压电元件7的上表面10与振动膜8a之间的振动传递部件9a为高度0.2[mm]的锥状螺旋弹簧。压电元件7的下表面13与振动膜8b之间的振动传递部件9b为高度0.4[mm]的锥状螺旋弹簧。通过与实例1的压电元件相同的材料以及相同的制造方法来制造本实例的压电元件7。此外，压电元件7的尺寸为长度12[mm]，宽度4[mm]，以及厚度0.4[mm]。作为振动传递部件9a、9b的锥状螺旋弹簧类似于实例2的锥状螺旋弹簧。类似于实例3，压电元件7的两端均通过泡沫橡胶21以及支撑部件6与外壳5的内表面固定在一起。类似于实例3的压电声学元件，压电声学元件1具有近似于圆形的平面形状，但是，其直径(L)为14[mm]，总高度(H)为1.1[mm]，并且比实例3的压电声学元件更小且更薄。
(实例5)下面将参照还一个实例来说明本发明的压电声学元件。图15示出了根据实例5的压电声学元件的示意性结构的长度方向截面图。根据本实例的压电声学元件1的特征在于使用了图16中所示的压电元件7。图16所示的压电元件7具有多层结构(层叠结构)，其中导电层18和压电材料层19交替地层叠在下绝缘层16和上绝缘层17之间。上、下绝缘层16、17以及压电材料层的长度为16[mm]，宽度为4[mm]，并且厚度为40[μm]。导电层18的长度为16[mm]，宽度为4[mm]，并且厚度为3[μm]。此外，压电材料层19为8层，并且导电层18为9层(为了方便起见，图16中省略了部分层)。因此，压电元件7的尺寸为长度16[mm]，宽度4[mm]，以及厚度0.4[mm]。锆钛酸铅(PZT)陶瓷被用于下绝缘层16、上绝缘层17、以及压电材料层19，并且银/钯合金(重量比7∶3)被用于电极层18。进一步，通过印刷电路基板方法制造压电元件7，并在1100℃的氛围中烧结两个小时。此外，在形成用于电连接每个导电层18的银电极之后，对压电材料层19进行极化处理，并通过铜箔将在上绝缘层17的表面上形成的电极焊盘20电连接。
本实例的压电声学元件1的外部形状和大小与实例1的压电声学元件类似。特别地，压电声学元件1具有近似于圆形的平面形状，并且总长度(L)为23[mm]，总高度为1.5[mm]，以及总宽度为16[mm]。
(实例6)下面将参照还一个实例来说明本发明的压电声学元件。图17示出了根据实例6的压电声学元件的示意性结构的长度方向截面图。在根据本实例的压电声学元件1中，金属弹性板15通过环氧树脂粘合剂与压电元件7的下表面13相连，并且弹性板15的一端通过支撑部件6固定到外壳5的内表面。此外，弹性板15的另一端的下表面通过作为振动传递部件9的锥状螺旋弹簧与振动膜8相连。图18示出了本实例的压电声学元件1中的压电元件7和弹性板15的放大图。压电元件7具有与实例5的压电元件相同的层叠结构，并且长度(l1)为12[mm]，宽度(w1)为4[mm]，以及厚度(t1)为0.4[mm]。此外，弹性板15的长度(l2)为15[mm]，宽度(w2)为4[mm]，并且厚度(t2)为0.2[mm]。弹性板15的材料为SUS304。
与实例1的压电元件类似，本实例的压电声学元件1具有近似于椭圆形的平面形状。此外，压电声学元件1的总长度(L)为23[mm]，总高度(H)为1.7[mm]，并且总宽度为16[mm]。与实例1的压电声学元件相比，弹性板15的厚度使得总高度(H)增加了0.2[mm]。
(实例7)下面将参照还一个实例来说明本发明的压电声学元件。图19示出了根据实例7的压电声学元件的示意性结构的长度方向截面图。根据本实例的压电声学元件1的特征在于压电元件7比实例6的压电声学元件短。特别地，如图20中所示，金属弹性板15通过环氧树脂粘合剂与压电元件7相连，其中该金属弹性板15的长度(l2)为16[mm]，宽度(w2)为4[mm]，并且厚度(t2)为0.2[mm]，该压电元件7的长度(l1)为8[mm]，宽度(w1)为4[mm]，以及厚度(t1)为0.4[mm]。除了压电元件7以外，该结构与实例6的压电声学元件类似。
(实例8)下面将参照还一个实例来说明本发明的压电声学元件。图21示出了根据实例8的压电声学元件的示意性结构的长度方向截面图。根据本实例的压电声学元件1的特征在于使用弹簧作为振动传递部件，用于连接压电元件7和振动膜8。该弹簧是通过支柱部件25将上部件22的边缘与下部件23的边缘连接在一块形成的，其中该支柱部件具有薄板形状并且主要在箭头所指方向上具有弹性，该上部件22为圆盘形且直径为2[mm]，该下部件23为环形且直径为4[mm]。顺便说明，弹簧的高度为0.4[mm]。除了振动传递部件9以外，该结构与实例1的压电声学元件的结构类似，并且总长度(L)为23[mm]，总高度(H)为16[mm]。
(特性评估)下面将给出对于上面已经说明的实例1-8的压电声学元件的特征，以及对于比较实例1-4的特征的说明。首先，概述一下比较实例1-4的结构，接着对测量结果进行说明。
(比较实例1)图23示出了比较实例1的声学元件30的示意性结构。声学元件30为压电声学元件，并且具有与实例1的压电元件相同的、位于外壳31中的压电元件32，其中该外壳31由与实例1的外壳相同的材料形成，并且大小也相同。压电元件32的一端通过与实例1的支撑部件相同的支撑部件33固定到外壳31的内表面，并且另一端为自由端。此外，在外壳31的底部34上形成孔35，并且当给压电元件32施加电压时，从孔35中发出声音。
(比较实例2)图24示出了比较实例2的声学元件30的示意性结构。声学元件30也是压电声学元件，并且基本上具有与比较实例1的声学元件相同的结构。不同之处在于压电元件32的两端都与外壳31的内表面固定在一起，并且在底34的中央形成孔35。
(比较实例3)图25示出了比较实例3的声学元件30的示意性结构。声学元件30也是压电声学元件，并且基本上具有与比较实例1的声学元件相同的结构。不同之处在于压电元件32的自由端通过连接部件36配置有金属振动板37。
(比较实例4)图26示出了比较实例4的声学元件30的示意性结构。声学元件30是压电声学元件，其具有永磁体38，音圈39，以及振动板40。当通过导电端子41将电流输入至音圈39时，产生磁力，并且由于该生成的磁力使得振动板40振动，从而发出声音。
(测量结果1)当对实例1-8的压电声学元件以及比较实例1-4的声学元件的基本谐振频率进行测试时，获得下面的结果。
实例1443[Hz]实例2452[Hz]和316[Hz]实例3496[Hz]实例4491[Hz]和320[Hz]实例5396[Hz]实例6276[Hz]实例7263[Hz]
实例8370[Hz]比较实例11087[Hz]或更大比较实例21067[Hz]比较实例31027[Hz]比较实例4730[Hz]通过上述测量结果，可以理解的是，本发明的压电声学元件具有较宽的频带。特别地，可以理解的是，实例2和4的压电声学元件具有两个基本谐振频率并且该频带被放大。
(测量结果2)当在将1[V]的电压施加给实例1-8的压电声学元件以及比较实例1-4的声学元件时测量声压等级，得到下面的结果。
实例196[dB]实例292[dB]实例391[dB]实例499[dB]实例5107[dB]实例6106[dB]实例7118[dB]实例897[dB]比较实例138[dB]比较实例257[dB]比较实例374[dB]比较实例472[dB]通过上面的测量结果，可以理解的是，本发明的压电声学元件能够再现非常高的声压。特别地，当将0.5[V]的电压施加给实例5的压电声学元件时，声压等级为91[dB]。换句话说，即使施加一半的电压，在这种情况下也能够获得这样的声压等级，其中该声压等级几乎与由实例1-3中的压电声学元件获得的声压等级相同。
(测量结果3)当在频率500[Hz]-2000[Hz]下测量实例1-8以及比较实例1-4的声学元件的声压，并计算最大声压与最小声压之间的偏离(alienation)率时，获得下面的结果。
实例1-825％或更小比较实例1-3大于40％比较实例4大于25％，且小于40％通过上面的测量结果，可以理解的是，本发明的压电声学元件具有平滑的声音频率特性。
(测量结果4)当实例1-8的压电声学元件以及比较实例1-4的声学元件从50厘米处自由坠落之前和之后测量声压等级时，并且当计算变化率时，获得下面的结果。
实例1和23％或更小实例3大于3％，且小于或等于10％实例4-73％或更小实例8大于3％，且小于或等于10％比较实例1-4大于10％通过上面的测量结果，可以理解的是，本发明的压电声学元件具有极好的抗震特性。
(测量结果5)当连续地驱动了实例1-8的压电声学元件以及比较实例1-4的声学元件100小时，并且当在这之前以及之后测量声压并且计算变化率时，获得下面的结果。
实例1和2大于3％，且小于或等于10％实例3-83％或更小比较实例1-410％或更大通过上面的测量结果，可以理解的是，本发明的压电声学元件具有足够的耐久性以及高可靠性。
(测量结果6)当分别制造50片实例1-8的每一个的压电声学元件以及50片比较实例1-4的每一个的声学元件时，当1[V]的电压被施加在每个元件上时，测量声压等级并接着计算最大声压与最小声压之间的偏离率时，获得下面的结果。
实例1和22.5％或更小实例3大于5％，且小于或等于15％实例4-75％或更小实例8大于5％，且小于或等于15％比较实例1-4大于15％通过上面的测量结果，可以理解的是，在所制造的多片本发明的压电声学元件中，变化是很小的。
在表1中对上面的测量结果求和。顺便说明，在测量结果1中，当基本谐振频率为300[Hz]或更小时显示“◎”(非常好)，当基本谐振频率为大于300[Hz]且小于或等于500[Hz]时显示“○”(好)，当基本谐振频率为大于700[Hz]且小于等于1000[Hz]时显示“△”(一般)，以及当基本谐振频率为大于1000[Hz]时显示“×”(差)。
在测量结果2中，当声压等级大于90[dB]时显示“◎”，以及当声压等级小于或等于90[dB]时显示“×”。
在测量结果3和6中，当偏离率为25％或更小时显示“○”，当偏离率大于25％且小于或等于40％时显示“△”，以及当偏离率大于40％时显示“×”。
在测量结果4和5中，当声压变化为3％或更小时显示“○”，当声压变化大于3％且小于或等于10％时显示“△”，以及当声压变化大于10％时显示“×”。
在测量结果6中，当偏离率为5％或更小时显示“○”，当偏离率大于5％且小于或等于15％时显示“△”，以及当偏离率大于15％时显示“×”。
当考虑了上面的说明以及测量结果1-6时，可以理解的是，本发明的压电声学元件具有各种优点，例如降低了厚度和大小，低的电压可驱动性，高的声压再现性，宽的频率特性，低成本，以及高可靠性。
此外，可以理解的是，本发明的压电声学元件可用于很宽的应用范围，其中包括声学设备以及便携式终端设备。例如，当本发明的压电声学设备被配置在声学设备中时，就能够实现小且高质量的声学设备。此外，当本发明的压电声学元件代替用在传统的移动电话或PDA(个人数字助理)中的电磁声学元件时，在移动电话以及PDA中实现了体积缩减以及延长操作时间，同时也能够获得更高的声音质量。
虽然已经使用特殊术语描述了本发明的优选实施例，例如仅用于说明性目的的说明，但是可以理解的是，在不脱离权利要求书的精神或保护范围的情况下可以进行改变和变化。
权利要求
1.一种使用压电元件作为振动源的压电声学元件，包括中空外壳，其中该中空外壳具有至少一个开口；位于所述外壳中的压电元件，并且当向其施加电压时该压电元件会弯曲；以及配置在所述外壳的开口处的振动膜；其中所述压电元件以及所述振动膜通过振动传递部件相连。
2.根据权利要求1的压电声学元件，其中所述压电元件沿长度方向上的一端或两端都通过支撑部件固定到所述外壳的内表面。
3.根据权利要求2的压电声学元件，其中所述支撑部件是弹性的。
4.根据权利要求1的压电声学元件，进一步包括两个或更多的振动膜和/或振动传递部件，它们至少在如下一方面不同厚度，材料，以及尺寸。
5.根据权利要求1的压电声学元件，进一步包括两个振动膜，它们彼此相对地配置，使得所述压电元件位于它们之间，其中所述两个振动膜通过各自的振动传递部件与所述压电元件相连。
6.根据权利要求1的压电声学元件，进一步包括与所述压电元件相连的弹性板，其中所述弹性板通过所述振动传递部件与所述振动膜相连。
7.根据权利要求1的压电声学元件，其中所述压电元件具有层叠结构，在该层叠结构中，导电层和压电材料层交替地层叠。
8.根据权利要求1的压电声学元件，其中所述振动传递部件为弹簧。
9.根据权利要求1的压电声学元件，其中所述振动膜为聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、聚醚砜膜、聚酯膜、以及聚丙烯膜的其中之一。
10.配置有根据权利要求1的压电声学元件的声学设备。
11.配置有根据权利要求1的压电声学元件的便携式终端设备。
全文摘要
本发明涉及一种压电声学元件。本发明的压电声学元件(1)包括中空外壳(5)，该外壳具有开口(3)，位于所述外壳(5)中的压电元件(7)，并且当施加电压时该压电元件(7)会弯曲，以及位于所述外壳(5)的开口(3)处的振动膜(8)；其中所述压电元件(7)以及所述振动膜(8)通过振动传递部件(9)相连。
文档编号H04R1/28GK1926917SQ20048004255
公开日2007年3月7日 申请日期2004年12月20日 优先权日2004年3月25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