CN103152680A - 声音产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声音产生装置，包括多个第一壳式结构、多个第二壳式结构、第一可挠结构、第二可挠结构、压电振膜、与驱动电路。

Description

声音产生装置

本申请是申请日为2009年2月13日、申请号为200910006708.7、发明名称为“声音产生装置”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种声音产生装置，特别是涉及一种压电扬声器。

背景技术

近年来电子产品已有延续的发展，轻薄短小、可携带及小型装置的设计概念被使用，就此点来说，可挠性电子技术(flexible electronic technology)逐渐地被广泛应用，例如被应用于薄型显示器、液晶显示器、柔性电路以及可挠性太阳能电池(flexible solar cell)，可挠性电子的应用，例如可挠式扬声器(flexible speaker)，具有小型化、重量轻以及成本低廉的好处。

扬声器通过转换电信号以产生声音，即，将声音信号源转换成机械动作，动圈式扬声器(moving-coil speaker)为目前使用最广泛的运用，可由锥体的往复运动产生声音，该锥体属于被悬挂于磁场中或是可移动地与磁场耦接的线圈。流经线圈的电流会引起变化磁场(varying magnetic field)环绕于线圈周围，二个磁场的互相影响会导致线圈的相对运动，因此移动锥体进行往复运动，而对空气加压或减压，故会产生声波。由于结构的限制，动圈式扬声器较不易被制成柔性态样或小型化。

柔性压电扬声器，可由柔性聚合物材料制成，如聚偏二氟乙烯(piezoelectric polyvinylidene fluoride)及其衍生物，由于具有压电效应(piezoelectric effect)，因此这样的柔性聚合物适合被用作扬声器。

美国专利公告第4638207号披露一种具有压电聚合膜的气球式(balloon)压电扬声器，此专利主要是使用气球压力提供压电聚合膜张力，此外，可通过气球的压力调整扬声器的共振频率。美国专利第6504289案披露一种压电换能器(piezoelectric transducer)以传递声音能量，压电换能器被硬式壳体环绕，因此难以制成柔性扬声器。美国专利第6349141案披露一种具有气球结构的柔性声音换能器(flexible audio transducer)，气球结构在强度上以及共振频率的设计上会有较多的隐忧。美国专利第6717337案披露一种声音致动器(acoustic actuator)，包括压电驱动件，该压电驱动件以铌锌锆钛酸铅(PZT)或铌锌锆钛酸铅(PZT)的衍生物中的压电陶瓷材料所制作，通过压电驱动件的径向收缩与扩张，声音振膜做振动以产生声波，不过压电陶瓷容易受撞击而碎裂。

发明内容

本发明的实施例提供一种声音产生装置，包括：具有至少一电极、第二电极以及第一压电层的第一壳式结构；与第一壳式结构的第一电极耦接的声音信号输出的第一端点；与第一壳式结构的第二电极耦接的声音信号输出的第二端点；具有第一电极以及第一压电层的第二壳式结构；以及耦接于第一壳式结构以及第二壳式结构之间的第一可挠结构。第二壳式结构的第一电极与声音信号输出的第一端点耦接，第一壳式结构的第一压电层以及第二壳式结构的第一压电层被装配以对由声音信号输出的信号产生响应，并且产生声波。

本发明的另一实施例中，柔性压电扬声器包括：具有可挠结构的至少二壳式结构以及具有至少一电极与至少一压电层的薄膜，这些壳式结构具有柔性层，柔性层具有弯曲刚性以作为部份壳式结构，电极与声音信号输出的端点耦接，压电层被装配以对由声音信号输出的信号产生响应，并且产生声波。

为了让本发明能更明显易懂，下文特别举出实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为侧视剖面示意图，用于表示本发明实施例的软式压电扬声器的剖面结构；

图2为详细侧视剖面示意图，表示本发明柔性扬声器的实施例的剖面结构。

图3为侧视剖面示意图，表示本发明柔性扬声器的实施例的剖面结构。

图4为侧视剖面示意图，表示本发明柔性扬声器的实施例的剖面结构。

图5为俯视示意图，表示本发明柔性扬声器的实施例的俯视结构。

图6为俯视示意图，表示本发明柔性扬声器的实施例的俯视结构。

图7为侧视剖面示意图，分别用以表示本发明的压电振膜实施例的剖面结构。

图8为侧视剖面示意图，分别用以表示本发明的压电振膜实施例的剖面结构。

附图标记说明

3：压电层

30：压电材料

31、31a、31b、351、362：第一电极

32、32a、32b、352、363：第二电极

35、36：压电振膜

350、360、361：压电层

364：第三电极

4：柔性层

40：壳式结构

40a、400a：第一壳式结构

40b、400b：第二壳式结构

41：可挠结构

41a、410a：第一可挠结构

41b、410b：第二可挠结构

42、420：单体

45：背板

46：空腔结构

47、50a、50b：空腔

51a、51b：音孔

100、100a、100b、100c：驱动电路

101、102、103c、104c、105c：端点

101b、103：第一端点

102b、104：第二端点

105：第三端点

具体实施方式

图1为本发明实施例的柔性压电扬声器示意图。图1中的柔性压电扬声器可包括多个壳式结构40、多个可挠结构41、背板45以及具有端点101、102的驱动电路100。壳式结构40与背板45相接，使空腔结构46成形于壳式结构40与背板45之间。壳式结构40以及背板45可通过具有位于可挠结构41的部位以及背板45的部位的黏着层被连接。可挠结构41亦可通过超声波压合、加热压合、真空加热压缩、机械压合或卷绕压合等方式相连接。

图2显示壳式结构40以及可挠结构41的细部结构。壳式结构40与可挠结构41可使用加压、热压成型、真空成型、射出成型或卷绕(roll to roll)成型等方式制造，壳式结构40可为圆弧形、矩形或多边形等结构，由图1中可看出，壳式结构40可与背板45形成空腔结构46，壳式结构40的刚性足以形成壳式结构，而具有弯曲刚性的可挠结构41可被提供于背板45上。

壳式结构40以及可挠结构41可包括柔性层4以及压电层3，柔性层4通过工艺方式被设于压电层3上，例如超声波压合、热压合、机械压合、黏胶接合或卷绕压合(roll to roll)式压合等方式，柔性层4可为透明材料，亦可由可塑性塑料材料、复合纤维材料或是金属薄板所制成，柔性层4的厚度在10-10000微米之间，且柔性层4可提供不同的厚度给可挠结构41以及壳式结构40。另外，柔性层4亦可利用热压成型、射出成型、加压或卷绕式成型等方式形成。而压电层3包含有第一电极31、第二电极32以及夹于第一电极31与第二电极32之间的压电材料30，压电材料30可为透明材料，包括聚合物及添加物，并且可由聚偏二氟乙烯(poly(vinylidene difluoride),PVDF)或其衍生物所制成，如：聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物(poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene)，P(VDF-TrFE))、聚偏二氟乙烯-四氟乙烯共聚物(poly(viny1idene fluoride/tetrafluoroetbylene)，P(VDF-TeFE))或聚偏二氟乙烯和六氟环氧丙烷的共聚物(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)，P(VDF-HEP))，而其它实施例中，压电材料30可由聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride,PVDF)或其衍生物以及添加物制成，该添加物可以是铌锌锆钛酸铅(PZT)、钛酸钙铅(Calcium-Modified.Lead Titanate，PCT)、钛酸钡(Barium Titanate，BaTiO3)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)、聚氯乙烯(poly(vinyl chloride),PVC)的纤维、颗粒或粉末所制成，上述材料可由溶液涂布成型、射出成型、卷绕(roll to roll)滚压成型或热压成型形成。压电材料30通过单轴向拉伸与电晕放电而形成，其厚度可在0.1-3000微米之间。第一、第二电极31、32可为透明材料，亦可由金、银、铝、铜、铬、铂、氧化铟锡(indium tin oxide)、银胶、铜胶或其它导电材料通过电镀、蒸镀、旋转涂布、网印的方式涂覆于压电材料30的二表面上所制成，第一、第二电极31、32的厚度可在0.01-100微米之间。

有关于柔性压电扬声器的组装，壳式结构40通过卷绕加压工艺或垂直加压工艺而设于背板45上，以使可挠结构41可与背板45接触，在实施例中，可挠结构41可通过加热压合、超声波压合或机械压合而固定于背板45上，或者是可挠结构41也可通过黏接件，例如双面胶、环氧树脂、快干胶等与背板45结合。设于背板45上的第一壳式结构40以及可挠结构41可构成柔性压电扬声器的单体42(如图5所示)，并且多个被设置在一起的单体可构成如图5所示的柔性压电扬声器。

图1中的柔性压电扬声器的运作原理是由驱动电路100的第一端点101输出声音信号电压至第一电极31，第二端点102为参考接地，连接第二电极32。根据压电本构方程式，

$S_p=s_{\mathrm{pq}}^E{T}_q+d_{\mathrm{pj}}+E_j$

其中

$d_{\mathrm{pj}}=\left[\begin{array}{cccccc}0& 0& 0& 0& d_{15}^{+}& 0\\ 0& 0& 0& d_{24}^{+}& 0& 0\\ d_{31}^{+}& d_{32}^{+}& d_{33}^{-}& 0& 0& 0\end{array}\right]$

$E_j=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ E_3^{-}\end{array}\right]$

根据上述方程式可知，当电压被施于电极时，可改变压电层的厚度以及长度，厚度的改变非常小，而长度的改变则是重要的，这些改变可能导致压电层的收缩或膨胀，就其本身而论，空气因而被加压或减压以产生声波。

图3为本发明的柔性压电扬声器实施例示意图，在此实施例中，柔性压电扬声器包括多个第一壳式结构40a、第一可挠结构41a、第二壳式结构40b以及第二可挠结构41b，而第二端点104与壳式结构40a、40b的第二电极32a、32b耦接，以上这些组件与图1、2所示的壳式结构40以及可挠结构41具有相同结构，因此，这些组件以及其细部结构在此不再重复。

壳式结构40a、40b以及可挠结构41a、41b可提供空腔47，如图3所示，第一壳式结构40a可通过卷绕式压合或垂直压合被设于第二壳式结构40b上，第一可挠结构41a可通过例如加热压合、超声波压合、机械压合固定于第二可挠结构41b上，或者是通过双面胶、环氧树脂、快干胶等使第一可挠结构41a固定于第二可挠结构41b上。由刚性结构所限制的空腔47，可调整第一壳式结构40a以及第二壳式结构40b的尺寸及所限制的封闭空间压力，以调整结构的共振频率，共振频率可在20赫兹～10万赫兹。

驱动电路100a具有第一端点103、第二端点104以及第三端点105。图3的柔性压电扬声器的运作原理是由第一端点103输出信号至第一壳式结构40a的第一电极31a，第三端点105可输出与第一端点103的信号具有相同或相反相位的信号至第二壳式结构40b的第一电极31b，第二端点104为参考接地，连接第一壳式结构40a的第二电极32a与第二壳式结构40b的第二电极32b。根据压电本构方程式，当给予电极电压时，可改变压电层的厚度以及长度，厚度的改变非常小，而长度的改变则是重要的，这些改变可能导致压电层的收缩或膨胀，就其本身而论，空气因而被加压或减压以产生声波。

图4为本发明的柔性压电扬声器实施例示意图，压电扬声器包括多个第一壳式结构400a、第一可挠结构410a、第二壳式结构400b、第二可挠结构410b、压电振膜35以及驱动电路100b。第一壳式结构400a、第一可挠结构410a以及第二壳式结构400b、第二可挠结构410b与压电振膜35可提供空腔50a、50b。

第一壳式结构400a、第一可挠结构410a以及第二壳式结构400b、第二可挠结构410b可由可塑性塑料、复合纤维材料或是金属薄板所制成，并且可使用热压成型、射出成型、真空成型、加压成型、卷绕(roll to roll)成型等方式制造的。第一壳式结构400a可包括多个开孔，如音孔51a，而第二壳式结构400b可包括多个音孔51b，第一壳式结构400a以及第二壳式结构400b可为圆弧形、矩形、多边形等结构，第一壳式结构400a以及第二壳式结构400b的刚性足以形成壳式结构，而具有弯曲刚性的第一及第二可挠结构410a、410b可被设于压电振膜35的每一表面上。

图7显示本发明的压电振膜35实施例示意图。压电振膜35包括第一电极351、第二电极352以及设于第一电极351与第二电极352之间的压电层350，压电层350包括聚合物及添加物，可为聚偏二氟乙烯(poly(vinylidenedifluoride),PVDF)或其衍生物所制成，如：聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物(poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene)，P(VDF-TrFE))、聚偏二氟乙烯-四氟乙烯共聚物(poly(viny1idene fluoride/tetrafluoroetbylene)，P(VDF-TeFE))或聚偏二氟乙烯和六氟环氧丙烷的共聚物(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)，P(VDF-HEP))，添加物可以是铌锌锆钛酸铅(PZT)、钛酸钙铅(Calcium-Modified.Lead Titanate，PCT)、钛酸钡(Barium Titanate，BaTiO3)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)、聚氯乙烯(poly(vinyl chloride),PVC)的纤维、颗粒或粉末；上述材料可由溶液涂布成型或射出成型、卷绕式成型、热压成型等方式形成，压电层350经单轴向拉伸与电晕放电极化成形。第一电极351、第二电极352可由如金、银、铝、铜、铬、铂、铟锡氧化物、银胶、铜胶、碳胶或其它导电材料所制成，通过溅镀、蒸镀、旋转涂布、网印于压电材料350的二表面。其中，声音信号输出的第一端点101b与第一电极351耦接，第二端点102b与第二电极352耦接。压电层350被装配以对由声音信号输出的信号产生响应，并且产生声波。

有关于图4的柔性压电扬声器的组装，压电振膜35通过卷绕加压工艺或垂直加压工艺而设于第一壳式结构400a以及第二壳式结构400b之间，在实施例中，第一及第二可挠结构410a、410b可通过加热压合、超声波压合或机械压合而固定于压电振膜35上，或者是第一及第二可挠结构410a、410b也可通过黏接件，例如双面胶、环氧树脂、快干胶等与压电振膜35结合。第一、第二壳式结构400a、400b、第一及第二可挠结构410a、410b以及压电振膜35可构成柔性压电扬声器的单体420(如图6所示)，并且多个被设置在一起的单体可构成如图6所示的柔性压电扬声器。

驱动电路100b包括第一端点101b以及第二端点102b，图4的柔性压电扬声器的运作原理是由驱动电路100b的第一端点101b输出声音信号电压至第一电极351，第二端点102b为参考接地，连接至第二电极352。根据压电本构方程式，当给予电压至电极时，压电振膜35将振动，因此产生声波，此外，根据声学的赫姆霍兹方程式(Helmholtz equation)设计空腔50a、50b，可调整共振频率与增加扬声器效率。

图8显示本发明压电振膜36的实施例示意图。压电振膜36为双层压电(bimorph)结构，例如压电振膜36可包括第一电极362、第二电极363、第三电极364、第一压电层360以及第二压电层361，并且压电层360、361的极化方向相反，柔性压电扬声器的制法与图4相同，压电振膜36可取代图4中的压电振膜35，而具有双层压电(bimorph)结构的振膜包括具有三端点103c、104c、105c的驱动电路100c，运作原理由端点103c输出信号至第一电极362，端点105c可输出与端点103c的信号具有相同相位的信号至第三电极364，端点104c为参考接地，连接第二电极363。根据压电本构方程式，当给予压电材料声音信号电压时可导致压电振膜36振动，因此产生声波。

本发明的实施例可通过调整壳状结构的尺寸以调整其共振频率，可应用于一般可听音的扬声器使用(20～20000赫兹)，也可以应用于超声波致动器的使用(20000赫兹～100000赫兹)。

虽然本发明以实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求所界定为准。

Claims (3)

1.一种声音产生装置，包括:

多个第一壳式结构，包括多个音孔；

多个第二壳式结构，包括多个音孔；

第一可挠结构，连接于该多个第一壳式结构之间；

第二可挠结构，连接于该多个第二壳式结构之间；

压电振膜，位于该第一壳式结构与该第二壳式结构之间，包括第一电极及第二电极以及设于该第一电极与该第二电极间的压电层；以及

驱动电路，包括第一端点以及第二端点，其中由该第一端点输出声音信号电压至该第一电极，该第二端点为参考接地，连接至该第二电极，

其中该第一壳式结构及该第二壳式结构通过该第一可挠结构与该第二可挠结构相接，并且该第一壳式结构、该第一可挠结构以及该第二壳式结构、该第二可挠结构与该压电振膜提供空腔，该第一可挠结构与该第二可挠结构经由该压电振膜相连接。

2.如权利要求1所述的声音产生装置，其中该压电层包括聚合物及添加物：

该聚合物包含聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-聚三氟乙烯，聚偏二氟乙烯-四氟乙烯共聚物，或聚偏二氟乙烯和六氟环氧丙烷的共聚物；

该添加物包含铌锌锆钛酸铅、钛酸钙铅、钛酸钡、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯的纤维、颗粒或粉末。

3.一种声音产生装置，包括:

多个第一壳式结构，包括多个音孔；

多个第二壳式结构，包括多个音孔；

第一可挠结构，连接于该多个第一壳式结构之间；

第二可挠结构，连接于该多个第二壳式结构之间；

压电振膜，位于该第一壳式结构与该第二壳式结构之间，包括第一电极、第二电极、第三电极、第一压电层以及第二压电层，该第一压电层位于该第一电极以及该第二电极之间，而该第二压电层位于该第二电极以及第三电极之间，其中该第一压电层的极化方向与该第二压电层的极化方向相反；以及

驱动电路，具有第一端点、第二端点和第三端点，其中，由该第一端点输出信号至该第一电极，该第三端点输出与该第一端点的信号具有相同相位的信号至该第三电极，该第二端点为参考接地，连接该第二电极，

其中该第一壳式结构及该第二壳式结构通过该第一可挠结构与该第二可挠结构相接，并且该第一壳式结构、该第一可挠结构以及该第二壳式结构、该第二可挠结构与该压电振膜提供空腔，该第一可挠结构与该第二可挠结构经由该压电振膜相连接。

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