压电电声换能器的制作方法

本发明涉及一种换能器，尤指一种压电电声换能器。

背景技术：

传统上，压电耳机的设计原理为利用压电元件的电能与机械能的转换特性，在交流电压驱动下，使平板状的压电元件产生形变，借此致动贴附于压电元件上的弹性件，进而推挤空气以改变空气分子的疏密分布，此疏密分布的气体分子即能传递声波、产生音压。

另外一种骨传导耳机，即将电能转化成不同频率的机械振动，通过人类的头骨、听觉神经、至大脑听觉中枢，从而让人类听到声音。此种骨传导耳机能节省许多声波传递的步骤，且声波也不会因为在空气中扩散而影响到他人。

然而，若将传统式压电耳机做为骨传导声音用途时，弹性件的振动能量虽然能够部份地经由骨传导而产生听觉，但同时也会推挤空气而产生声音，也就是说，部分的振动能量仍然会因为弹性件堆挤空气而导致声音透过空气传导而外泄。此为骨传导耳机所不希望发生的事。

因此，如何克服上述问题，为目前本领域的技术人员致力研发的目标。

技术实现要素：

为解决前述现有技术的种种缺陷，本发明提供一种压电电声换能器，以减少杂音。

本发明的压电电声换能器，包括：第一弹性件，其具有在长度方向上的两端、位于该第一弹性件的两端之间形成朝第一方向弯曲的弯曲部、及用以定义厚度的两面；第二弹性件，其具有在长度方向上的两端、位于该第二弹性件的两端之间形成朝相反于该第一方向的第二方向弯曲的弯曲部、及用以定义厚度的两面，该第二弹性件的两端分别与该第一弹性件的两端相接合，且该第二弹性件的弯曲部与该第一弹性件的弯曲部分离一距离；至少一第一 压电元件，其贴附于该第一弹性件的该两面的至少一面，以与该第一弹性件有相同的曲度；以及至少一第二压电元件，其贴附于该第二弹性件的该两面的至少一面，以与该第二弹性件有相同的曲度，其中，在提供电信号予该第一及第二压电元件时，为该电信号致动的该第一及第二压电元件会分别带动该第一及第二弹性件振动。此外，该第一弹性件朝该第一方向振动的幅度大于朝该第二方向振动的幅度，而该第二弹性件朝该第二方向振动的幅度大于朝该第一方向振动的幅度，且该第一方向为远离该第二弹性件的方向，而该第二方向为远离该第一弹性件的方向。

另外，该第一弹性片的该两面的邻近该第二弹性片的一面贴附有该第一压电元件，该第二弹性片的该两面的邻近该第一弹性片的一面贴附有该第二压电元件，且提供相同的电信号予该第一及第二压电元件时，会使该第一弹性片与该第二弹性片同时往该第一方向振动，或同时往该第二方向振动。

本发明的压电电声换能器还包括承载件，用于承载相接合的该第一弹性件和该第二弹性件；以及缓冲体，其设置于该第一弹性件与该承载件之间和该第二弹性件与该承载件之间，以使该第一弹性件和该第二弹性件不接触该承载件；该承载件包括具有开口的中空箱及覆盖该开口的薄膜，以将该第二弹性件及该第二压电元件容纳于该中空箱中并使该第一弹性件及该第一压电元件外露于该开口，而该薄膜覆盖外露出该开口的第一弹性件以对该第一弹性件提供预应力。

本发明的压电电声换能器还包括设置于该第一弹性件与该第二弹性件间的第三弹性件及贴附于该第三弹性件的至少一第三压电元件，该第三弹性件具有在长度方向上的两端及用以定义厚度的两面，该第三弹性件的两端、该第一弹性件的两端及该第二弹性件的两端相接合，而该至少一第三压电元件贴附于该第三弹性件的该两面的至少一面。

本发明的压电电声换能器还包括设置于该第三弹性件与该第二弹性件间的第四弹性件及贴附于该第四弹性件的至少一第四压电元件，该第四弹性件具有在长度方向上的两端、位于该第四弹性件的两端之间形成朝该第二方向弯曲的弯曲部、及用以定义厚度的两面，而该至少一第四压电元件贴附于该第四弹性件的该两面的至少一面，其中，该第三弹性件具有位于该第三弹性件的两端之间形成朝该第一方向弯曲的弯曲部，该第四弹性件的两端、该第 三弹性件的两端、该第二弹性件的两端及该第一弹性件的两端为相接合，且该第四弹性件的弯曲部与该第三弹性件的弯曲部为分离开。

此外，本发明的压电电声换能器为一种压电式骨传导换能器。

附图说明

图1A及图1B为本发明的压电电声换能器的一实施例的立体图及侧视图；

图2A为本发明的压电电声换能器的另一实施例的示意图；

图2B为本发明的压电电声换能器的又一实施例的示意图；

图3为本发明的压电电声换能器的一实施例的剖面示意图；

图4A-图4C为本发明的压电电声换能器的对照例与实施例1的测试结果图；

图5A-图5C为本发明的压电电声换能器的实施例1、2、3及4的测试结果图；

图6A-图6C为本发明的压电电声换能器的实施例1、5及6的测试结果图；以及

图7A-图7C为本发明的压电电声换能器的实施例1、7、8及9的测试结果图。

符号说明

21、23、25、27 弹性件

211、231、251、271 弯曲部

212、232、252、272 端

21T、23T、25T、27T、21L、23L 面

22、24、26、28压电元件

3 承载件

31 空箱

310 开口

32 薄膜

4 缓冲体

A、B 方向

D 距离

T 厚度。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本文所公开的内容轻易地了解本发明的其他优点及效果。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所公开的内容，以供本领域技术人员的了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的效果及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所公开的技术内容得能涵盖的范围内。

请参阅图1A-图1B，本发明的压电电声换能器主要包括二弹性件21和23、以及分别贴附于各弹性件21和23的二压电元件22和24。

弹性件21具有形成朝方向A弯曲的弯曲部211及在长度方向上的两端212，其形状可为长方形、或实质长宽比大于1的其他形状，例如椭圆形等。弹性件21具有可由两个相对的面21T所界定的厚度T、可由两个相对的面21L所界定的长度、及宽度，且该长度与厚度的长宽比大于1。需说明的是，方向A为弹性件21的法线上远离弹性件23的方向。

弹性件23具有形成朝方向B弯曲的弯曲部231及在长度方向上的两端232，其形状可为长方形、或实质长宽比大于1的其他形状，例如椭圆形等。弹性件23具有可由两个相对的面23T所界定的厚度T、可由两个相对的面23L所界定的长度、及宽度，且该长度与厚度的长宽比大于1。需说明的是，方向B为弹性件23的法线上远离弹性件21的方向。

弹性件21和23的结构相同，可为单层板或多层复合板，例如上下为锌铜合金而中间夹感压胶的三层复合板。

此外，弹性件21的两端212分别与弹性件23的两端232相接合，且弹性件21的弯曲部211与弹性件23的弯曲部231分离一距离D，换言之，弹性件21与23间的距离在弯曲部211与231之间最大，而越靠近弹性件21的两端212和弹性件23的两端232逐渐变小。此外，于弹性件21和23皆为长方形的例子中，可利用弹性件21的两面21L分别与弹性件23的两面23L 相接合以完成弹性件21与23的组合。所述接合可例如在弹性件21的两面21L与弹性件23的两面23L上涂布粘着剂，再将两者相互粘接。

压电元件22贴附于弹性件21的两面21T的其中一面，并与弹性件21具有相同的曲度。压电元件24贴附于弹性件21的两面21T的其中一面，并与弹性件23具有相同的曲度。需说明的是，本发明附图虽然绘示弹性件21仅一面21T(邻近弹性件23的一面)贴附有压电元件22，弹性件23仅一面23T(邻近弹性件21的一面)贴附有压电元件24，但具体实施时，弹性件21的两面21T皆可贴附有压电元件22，弹性件23的两面23T皆可贴附有压电元件24。此外，压电元件22和24相同，例如皆为压电陶瓷、PVDF或压电复合制动器。

另外，弯曲的弹性件和压电元件的制法可例如，对一原本呈弯曲状的弹性件施力以使其呈暂时平板状，接着置入一内部为真空状态的模具中，再将一平板状的压电元件贴附于该平板状的弹性件，之后解除该模具内的真空状态，以使该弹性件自平板状回复为弯曲状，则该压电元件便能具有与该弯曲状的弹性件相同的曲度。

参阅图2A，于一实施方式中，本发明的压电电声换能器还可包括设置于弹性件21和23之间的弹性件25及贴附于弹性件25上的压电元件26。弹性件25具有在长度方向上的两端252及用以界定厚度的两面25T，弹性件25除了其两端252是与弹性件21的两端212和弹性件23的两端231接合之外，其他部位并不与弹性件21和23接触。压电元件26可贴附于弹性件25的两面25T的至少一面。本实施方式中的弹性件25为平板状。

参阅图2B，于又一实施方式中，本发明的压电电声换能器还可包括设置于弹性件23和25之间的弹性件27及贴附于弹性件27上的压电元件28。弹性件27具有形成朝方向B弯曲的弯曲部271、位于长度方向上的两端272、及用以定义厚度的两面27T，压电元件28可贴附于弹性件27的两面27T的至少一面。本发明图2B仅绘示压电组件22贴附于弹性件21的邻近弹性件25的一面21T、压电组件26贴附于弹性件25的邻近弹性件27的一面25T、压电组件28贴附于弹性件27的邻近弹性件25的一面27T、压电组件24贴附于弹性件23的邻近弹性件27的一面23T。此外，弹性件27的两端272、弹性件25的两端252、弹性件23的两端232、及弹性件21的两端212相接 合，弹性件25具有形成朝方向A弯曲的弯曲部257，且弹性件27的弯曲部271与弹性件25的弯曲部251分离。

根据图1A-图2B，本发明的压电电声换能器主要包括两端相接合的弹性件21和23及分别贴附于其上的压电元件22和24，而在考量振动或声音传导的情况下，可于弹性件21和23的间设计配置一或多个弹性件及贴附于其上的一或多个压电元件。此外，当配置一弹性件时，其可为平板状，而配置多个弹性件时，较佳为偶数个弯曲方向相反的弹性件。

参阅图3，于另一实施方式中，本发明的压电电声换能器可包括用于承载相接合的弹性件21和23的承载件3及设于弹性件21与承载件3之间和弹性件23与承载件3之间的缓冲体4。缓冲体4用于使相接合的弹性件21和23不与承载件3直接接触，且一般而言可具有粘性，以将相接合的弹性件21的两端212和弹性件23的两端232固定于承载件3上。缓冲体4例如UV固定胶、感胶胶体、硅胶胶体或发泡橡胶体。

承载件3可为支撑相接合的弹性件21和23的承载件的框架、或者如图3所示的包括具有开口310的中空箱31及包覆开口310的薄膜32。中空箱31可将弹性件23和压电元件24容纳于该中空箱31中并使弹性件21和压电元件22外露出开口310，而薄膜32经拉伸后具有张力，覆盖于从开口310外露出的弹性件21上，以恒对弹性件21和压电元件22提供预应力，换言之，具有水平张力的薄膜32垂直施力于弹性件21的弯曲部211，成为提供给弹性件21的预应力，使得弹性件21能达到较佳的回弹作用，更增加往方向A的振动幅度。另外，缓冲体4还可设置于弹性体23的弯曲部与中空箱31的底面之间，以避免弹性体23于振动时接触到中空箱。

当对压电元件22和24分别提供电信号时，例如交流电，压电元件22和24受该电信号的致动而伸缩，进而带动弹性件21和23振动。具体来说，参阅图1A-图1B，压电元件22伸展时，弹性件21朝方向B振动；压电元件22收缩时，弹性件21朝方向A振动；压电元件24伸展时，弹性件23朝方向A振动；以及压电元件24收缩时，弹性件23朝方向B振动。当然若压电元件22和24贴附于弹性件21和23的不同面时，弹性件21和23亦会有不同于前述的振动方式。此外，由于弹性件21在结构上是朝方向A弯曲的，此会妨碍到压电元件22的伸缩作动，故弹性件21在往方向A振动时会产生 较大的位移量及加速度，而在往方向B振动时的位移量和加速度相对较小；同样地，由于弹性件23在结构上是朝方向B弯曲的，此会妨碍到压电元件24的伸缩作动，故弹性件23在往方向B振动时会产生较大的位移量及加速度，而在往方向A振动时的位移量和加速度相对较小。

另外，压电元件22可贴附于弹性件21的邻近弹性件23的一面21T，压电元件24可贴附于弹性件23的邻近弹性件21的一面23T，当对压电元件22和24分别提供相同的电信号时，弹性件21与弹性件23可同时往方向A振动或同时往方向B振动。借此，弹性件21往方向A振动以使方向B一侧的空气分子分布较疏而产生相对负压，同时弹性件23往方向A振动以推挤方向A一侧的空气使空气分子分布较密而产生相对正压；或者，弹性件21往方向B振动以推挤方向B一侧的空气使空气分子分布较密而产生相对正压，同时弹性件23往方向B振动以使方向A一侧的空气分子分布较疏而产生相对负压。如此一来，在压电元件22和24接收交流电以致动弹性件21与23振动的期间，弹性件21与23之间的空气因这样的一正一负的压力相消而维持实质上相同的空气分子密度。

因此，本发明的压电电声换能器的具体实施例为压电式骨传导换能器，弹性件21或23用以接触人的皮肤而执行骨传导声音，弹性件21和23分别在方向A和方向B上拥有较大位移量和加速度，故能强化施加于骨头上的振动以提升传导声音的强度，另外，弹性件21和23分别在方向B和方向A上拥有较小加位移量和加速度，故能减少对位于弹性件21与23之间的空气的挤压，再加上弹性件21和23是同时往同一方向振动以相消彼此对弹性件21与23之间空气的挤压，更能维持大致相同的空气密度，进而降低声音透过空气传导而外泄的机率，借此能显著地消除杂音。接着，以表1及图4A-图7C说明本发明的压电电声换能器的两弹性件的分离距离、各弹性件的厚度、及薄膜的张力与弹性件的振动位移量(displacement)、振动加速度(acceleration)、泄漏音压(leakage SPL)的关系。对照例和实施例1-9的测试条件为：电压10Vrms、置于人工耳朵上方10mm处、利用雷射测距仪量测弹性件正中央弯曲部的振动位移量及加速度。另于无声响室量测泄漏音压，收音距离设定为10cm。

需说明的是，实施例1-9的压电电声换能器例如图3所示，二弹性件为 弯曲状且其弯曲部分离有一距离，各自的两端相接合再以具粘性的缓冲体固设于中空箱内；对照例的两弹性件为平板状，其两端不相接合而是分别以具粘性的缓冲体固设于中空箱内，二弹性件的所有部位皆分离有相同距离。中空箱的尺寸为32mm×7mm×1.8mm、各压电元件的尺寸为25mm×4mm×0.1mm、各弹性件的长宽为30mm×5mm，而各弹性件的厚度、两弹性件的距离、薄膜的张力如表1所示。

表1

参阅表1及图4A-图4C，对照例与实施例1间的压电电声换能器的差异仅在于弹性件的形状，如图4A所示，实施例1的压电电声换能器的起振频率在120Hz左右，在低频100～500Hz之间的平均振动位移量约37μm；反观对照例的压电电声换能器的起振频率在230Hz左右，在低频100～500Hz之间的平均振动位移量约25μm，明显较实施例1为小。如图4B所示，实施例1的压电电声换能器的起振加速度出现在频率约120Hz，超过0.9m/s²，在低频100～500Hz之间的平均加速度约0.96m/s²；反观对照例的压电电声换能器的起振加速度出现在频率约230Hz，约0.7m/s²，在低频100～500Hz之间的平均加速度约0.6m/s²，明显较实施例1为小。如图4C所示，实施例1的压电电声换能器的起振频率约120-130Hz，在低频100～500Hz之间的声压级约45dB，渐往低频缓增为50dB；反观对照例的压电电声换能器的起振频率约 230Hz，在低频100～500Hz之间的声压级约53dB，渐往低频据增为68dB，明显较实施例1为大。

由图4A-图4C可知，弯曲状的弹性件相较于平板状的弹性件，能提供较大的位移量及加速度并具有较小的SPL，表示实施例1的压电电声换能器的二弹性件向内推挤空气的振幅较小而向外振动骨头的振幅较大。需说明的是，此处所谓向内即为二弹性件相互靠近的方向，而向外即为二弹性件相互远离的方向。反观对照例的压电电声换能器的二弹性件由于为平板状，无法对贴附于其上的压电元件造成形变妨碍，故难以抑制朝内推挤空气的振幅，导致具有较大的SPL。

因此，本发明的压电电声换能器能将接收到的电能主要转换为经由骨传导的振动能量，相较于对照例，仅有极少者会转换成空气传导的振动能量。

参阅表1及图5A-图5C，探讨二弹性件的分离距离分别为1mm、2mm、3m和4mm对于振动位移量、加速度和声压级的影响。如图5A所示，实施例1、2、3及4的压电电声换能器的起振频率皆在120-130Hz左右，各实施例的位移量曲线分布相近，但其中，实施例1(分离距离2mm)和3(分离距离3mm)的振动位移量较大，可达37μm以上，而实施例2(分离距离1mm)和4(分离距离4mm)的振动位移量较小。如图5B所示，各实施例的加速度曲线分布相近，但其中，实施例1(分离距离2mm)和3(分离距离3mm)的加速度较大，可达1m/s²以上，而实施例2(分离距离1mm)和4(分离距离4mm)的加速度较小。由图5A-图5B可知，弹性件的位移量和加速度有对应关系。接着如图5C所示，各实施例的声压级的曲线大致呈平滑曲线，起振频率约为120-130Hz，平均SPL从100Hz的60db，渐往高频时缓减为45db，此已是极安静的程度，尤其实施例1(分离距离2mm)和3(分离距离3mm)的SPL更小。

根据图5A-图5C可知，二弹性件的弯曲部的分离距离有一较佳范围。在此所述二弹性件的分离距离更可理解为弹性件的弯曲度，例如，距离1mm时弯曲度较小、距离4mm时弯曲度较大。另外，弯曲度过小的弹性件能提供给压电元件的预应力便小，然弯曲度过大的弹性件又易变成非线性，故二弹性件的弯曲部的分离距离的较佳范围为1mm-4mm。

参阅表1及图6A-图6C，探讨薄膜张力分别为10N、15N、和20N对于振动位移量、加速度和声压级的影响。如图6A及图6B所示，各实施例中的 起振频率有稍加改变，实施例1(张力为15N)的压电电声换能器的振动位移量和加速度较大、实施例6(张力为20N)次之、实施例5(张力为10N)最小。如图6C可知，各实施例在频率100-10000Hz皆表现有较低的SPL。

根据图6A-图6C可知，适当的薄膜张力能有助于弹性件的回弹作用，过小的薄膜张力能施予弹性体的预应力便小，惟过大的薄膜张力除明显改变压电电压换能器的起振频率外，也可能导致泄漏的SPL的提高。因此，薄膜的张力的较佳范围为10N-20N。

参阅表1及图7A-图7C，探讨弹性件的厚度分别为0.1mm、0.15mm、0.2mm和0.25mm对于振动位移量、加速度和泄漏音压的影响。如图7A及图7B所示，实施例7(厚度为0.1mm)的压电电压换能器能达到较低的起振频率，约50Hz，此处的位移量和加速度分别约为28μm和0.7m/s²，实施例1(厚度为0.15mm)压电电压换能器的起振频率提高至约120-130Hz，在低频100～500Hz之间的平均振动位移量约37μm，平均加速度约0.96m/s²。如图7C所示，各实施例在频率100-10000Hz皆表现有较低的SPL。

根据图7A-图7C可知，透过调整弹性件的厚度能控制弹性件的起振频率及振动强度，过厚的弹性件因为刚性太大可能导致过高的SPL。因此，弹性件的厚度的较佳范围为0.1mm-0.25mm。

综上所述，本发明的压电电声换能器主要包括二个两端相接合而弯曲部相分离的二弹性件、分别贴附于二弹性件上的二压电元件、还包括覆盖于其中一弹性件上的薄膜，以通过压电元件经电讯号致动而具有的应力、弯曲的弹性件的弹力、薄膜的张力所提供的预应力的综合影响，使得二弹性件在朝外的方向具有较大的振动位移量及加速度，能提高声音经骨传导的强度，另在朝内的方向具有较小的振动位移量及加速度，能降低对内的空气挤压，且二弹性件于振动时对内的空气所产生的压力能彼此相消，故大大降低空气传导所造成的声音外泄，降低泄漏音压。相较于传统骨传导耳机显著减少了杂音。

上述实施方式仅例示性说明本发明的效果，而非用于限制本发明，任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述该些实施方式进行修饰与改变。此外，在上述该些实施方式中的结构的数目仅为例示性说明，也非用于限制本发明。因此本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。