TW200401578A - Transducer - Google Patents

Description

200401578 玫、發明說明： 技術領域 衣發明係關於變㈣、驅動器或激發器，敎言之但不 僅限於用於聲音裝置（如 甸耸盜及麥克風）的變換器。 先前技術 W 〇 〇 1 / 5 4 4 5 0 號名蘇^ v r 知為1新型限制型變換器」的專利提 供一種機電力變換哭，甘&， 」 又伐™ 其包括具有該變換器之運作頻率範 圍内的模式頻率分佈的i ^ /、振兀件。可選擇該共振元件的 數以|疋南邊元件在運作相.參μ ^ ^ 作頻年靶圍内的模式分佈。因此，該 種變換器可視為預設模態變換器。

該種變換器可挺人S 〇 土 —地點’變換力藉由耦合構件施加 於該地點:而镇合構件可連接於該共振元件之有利於該共 振疋件至該地點之棋合模態作動的位置。因此，如圖1之範 t變換樑形共振元件，其藉由兩個短件狀 耦1合構件1 3 6轉合至—面柘】h ^ 、 面板134。—短件之位置朝向該樑形 :振疋件 < —端138’而另—短件則朝向顿形共振元件之 心。相對的一端140沒有支撐，因而可自由移動。 發明内容 ^本發明’提供—種具有預設運作頻率蘇圍且包括具 作頻率範圍内之模式頻率分佈的共振元件之機電力 “备’其特徵為’支撐構件健合至該共振元件之周邊 性'"支轉構件對於該共振元件之彎曲波振動具有實質限制 孩種變換器 可向一負載施加一應力，例如

H5128 200401578 產生聲音輸出，或驅動非立* 曰興载如嘖墨印* ψ 限制該共振元件將改變其 。 的性能。因此，可選擇該 W響讀變換器 ，一構件的性質，以俾~ 史俠奋性能，例如可增加其寬戶。“ ^ 坆件所需的 質上簡單支撐或爽固該共振元：° ”轉構件可部分或實 兄邊炙邵分延伸及/或耦合 午土少可沿該 _ 邊只邊的至少兩個八. 間單支撐指將該共振元件 々離部分。 而不是平移。因此，該支撐 支辞媾件轉動 ^ tl 干係當作一鉸鲑，θ ^ 應性（zero c〇mpllance)。夹 、具有零適— 相對於該夾子轉動及平移。:…Ί振疋件’防止其 ，， 為共振元件在該i栌样μ 卞的速度為零。在實務中 支‘構件或失 零速度，因此，該支撐構件 也雒以實現 ψ . 接近於簡單支撐或失固。 β共振元件可以為矩形，該支 、口 件的相對邊緣接合的_ π匕友與孩共振元 兮W 『刀1共振元件可為普通碟片形—， .支％構件也沿部分或整個周 可位於該周邊的至少三個位&者’孩支犧 間隔相莘^ Α , "且且孩寺位置可環繞該周g 該三角 了為二用形，該支撐構件可位步 用开< 的各頂點。# 該此描— …’、·。邊，、振元件還可為梯形或超橢圓形。 。叛7C件還可 〜L 且可為乎板或曲极形。 進〜步勺 … < 化層’如合適的黏性層。該變換器可 *v*w 4·/· 4·Ε —.. 裝至於、〃 ”疋件上的耦合構件，用於將該變換器安 A把如應力的灿.p ^ 換器安堆” 為支轉構件可經調整用以將該變 衣至該地點< _ s 。以此方 ，及早獨的支架上，即使該變换器接地 "逐支撐構件可提高該變換器的強度，改善其

N5/2.S 200401578 柷震能力及抗跌落衝搫能力 該支撐構件可與該共振元件整合為/體，，該共振元件可 為具有中心葉片的雙壓電晶片，該中心葉丼經調整可形成 支撐構件。或者，該支撐構件可為分離支架形。

可選擇該共振元件的各種參數，如縱橫此、彎曲勁度或 厚度的幾何學及各向同性或各向異性，以採高該共振兀件 在運作頻率範圍内的模式分佈。可採用分析’如利用FEA 或杈型化的電腦仿真選擇該等參數。 : I普由確保主動元件的一第一模式靠近所需之最低運作頻 率可提高分佈。還可藉由確保運作頻率範園内之滿意的（例 如高的）模式密度提高分佈。該等模式的密度最好足以使該 主動元件提供實質上對頻率恒定的有效中位平均應力。藉 由使该共振彎曲波模式實質上均勻分佈於蘋率中也可提高 模式分佈。 - 孩共振元件可為沿兩個實質正常軸的模態，各軸具有— 相關基本頻率。可1周整兩個基本頻率之比，以獲得最佳模 態分佈，如9 7 (〜1 286 1)。 孩共振元件可為主動的，可為壓電式、磁致伸縮式或^ 極體裝置。該壓電式主動元件可為預加應力的，例如美國 專利5632841的描述或可為電性預加應力的或偏壓的。該左 動元件可為具有一中心葉片或基扳的雙壓電晶：或單二

晶片。該主動元件可固定於一底板或墊片’其可為—策^ 屬片且具有與琢主動元件相似的硬度。 ' M 涊共振元件可為被動元件，並藉由 、读構件耦合至—

Θ2δΰ Η512S 200401578 動變換B元伴，該主動變換器元件可為移動線圈、移動磁 鐵、壓兔装i、磁致ί申縮裝置或駐極體装Jl。該連接構ί牛 可連接至該共振元件之有利於提高該共振元件模態主動的 位置。該被動共振元件可當作短期共振储存，並可具有低 自然共振頻率，使其模態行為在其為該主動元件實施裝載 與匹配動作的範圍内具有滿意的密度。 該變換器可包括複數個共振元件，各具有一模式分佈， 該等共振元件之該等模式係交錯排列於該運作頻率範圍内 ，因而將該變換器當作整體裝置而提高其模式分佈。該等 共振元件可藉由連接構件搞合在一起，並可排列成耦合點 軸向對齊的堆疊。該等共振裝置可為被動或主動裝置，或 為被動與主動裝置之组合，以形成混合變換器。 該變換器可包括一扁平壓電碟片：至少為兩個或最好至 少為三個扁平壓電碟片的組合；兩個重合壓電樑；多個渣 合壓電樑的组合；一彎曲壓電板；多個彎曲壓電板或兩個 重合彎曲壓電樑的組合。 各共振元件可具有不同基本共振。藉由最佳化該等共振 元件之頻率比即各共振元件之各基本共振頻率之比，可提 高各共振元件之模式分佈交錯。對於包括兩個樑的變換器 ，該兩個樑可具有頻率比1 27 1，對於包括三個樑的變換器 ，該頻率比可為丨315 1 147 I。對於包括兩個碟片的變換器 ，該頻率比可為1丨1，以最佳化高等級模態密度，或可為 3 2丨以最佳化低等級模態密度。對於包括三個碟片的變換 器，該頻率比可為3 03 I 63 1或可為8 19 3 20 1。 8^12Η 200401578 t扒構件可耦合至各共振元件的周邊、 個共振元砵-Γ τ > '孑，i少— 1可不文限制，即不耦合彡該支撐構件 自由移動。 '”7疋可 根據本發明的第二方面，如述，提供

J4. -ο- 匕孑占—聲身S -模態變換器的揚聲器，該變換器 ： 耦厶Z：分p — 叫柄ω構件 土 β彆輻射器，以激發該聲輻射器產生聲音輸出。該 a構件可為退化層，如受控的黏揀層。該共振部件會質 上可為聲音不主動的。 在孩弟一及第二具體實施例中，該耦合構件可形成—連 妖 ''泉 '連接點或局部連接小區域，其中該連接區小於該共 振元件沾口 „L· .、 、尺寸°該镇合構件可包括連接點及/或連接線的組 或者’僅提供單一耦合點，藉此該共振元件或各共振 &件 < 輸出藉由該單一耦合構件而不是該聲輻射器相加。 β轉合構件可連接至該共振元件之有利於將該共振元件之 & %王動辑合至該地點或聲輻射器的位置。 可選擇該镇合構件位於該共振元件上之反節點，並可選 择和:頻率提供恒定平均力。該耦合構件苛位於該共振元件 的中心或遠離中心的位置。 為變換器之機械阻抗可匹配該負載即該聲輻射器的機械 PJ] 4™ 該變換器可安裝至一第二負載，如一面板’ $ 抗匹配。該第一 仇。可選擇該變換器的邊界條件以提供所需的變換器機 娀阳_抗 . 《果主負載與該變換器之間的阻 孔，以防止從中發出聲輻射。 疼揚聲器至少在其部分運作頻率範圍矸為預設活塞 幻Ι2Η 200401578 或者f為彎曲波揚盤哭。 如可選擇菽聲輻射器的I炎以捽* 琢共振元件在運作頻率r R ' '(以知问 H，dm 内的模式分佈。該揚聲器可為 共& % .曲波杈式揚螌哭， ^ 。"其具有一聲輻射器及固定於哕托 輻射器的一變換器， 、”斗 j ^放發共振野曲波模式。

申請案W097/0984)及兑亡# “ “ 丰1J ，、L專利申請案及出版物說明 杈耸益，也可稱為分佈模式揚聲器。 ’、 該聲轉射器可為面板式。該面板烏平，重量^該^ 射器的材料可為各向異性或 ,„a .. 哪 I土次各向同性。可进擇孩聲輻射器. 的特性’ Μ便貫質上在頻率内均勻分佈共振彎曲波模式， 即消除由模式「聚束」心類引起的頻率回料值。特定 而言，可選擇該聲音輻射器之特性來實質上在頻率内均勻 地分佈較低頻率之共振彎曲波模式。 可選擇該變換器的位置以實質均勻耦合至該聲輻射器之 該共振彎曲波模式，特別是，耦合至較低頻率共振彎曲波 模式。換言之’該轉換器可安裝在聲輻射器中振動主動共 振反節點數目相當尚，以及相反地該共振節點的數目相當 低的位置。 根據本發明之第三方面，提供一具有一機體並包括如上 所述安裝在該機體中一揚聲器的電子裝置。該支撐構件可 安裝至該機體。該電子裝置可為行動電話。該支撐構件可 自該行動電話機殼中伸出。該支撐構件可模制為該機殼的 部分’或在裝配入該機殼前固定於該或各共振元件。 該運作頻率範圍可覆蓋較寬的頻率範圍，並可為音頻範 圍及/或超音波範園。還有聲納及聲音測距及成像應用’其 Θ26〇 Η512Η -II - 200401578 中 由於令怖模式變換器的運作，可使用更宽帶^ 1 1 兄及_ / 可能更高的功率。因此，在比單一王頻率決定的範園更大 的施圍内運作，可實現該變換器的自然共振。該運作頻* 範圍之最低頻率最好高於預定下限’肖下限約為 二 之基本共振頻率。 、洛 實施方式 圖2翱717 一變換器，其包括一 3 6 m m壓電樑1 〇型式的共振 疋件，孩元件透過短件型式的耦合構件]4連接至—祆“ 如I -，孩短件型式的耦合構件係沿該樑1〇之中心安裝。―、 ”之兩端係連接至支撐構件16，藉此，該樑 間單支撐。因此，與圖1之先前技術變換器比較，該樑丨〇沒 有-端可自由移動。簡單支撐該樑減少其慣性， 其抗撞擊及跌落衝擊的能力。 圖〕的虛線及實線分別顯示圖2之變換器具有及不具有噠 接器時的功率輸出。簡單支撐該樑的兩端可使該棵強固， 因而提高其基本頻率。&是，與直覺相反，簡單支撐大大 改善了變換器的低頻率性能（即低於5〇〇Hz)。但是，中高頻 率即高於750 Hz的頻率範圍一般會產生功率下降。门 圖4至6顯示根據本發明之安裝於行動電話的變換哭。該 變換器包括第一及第二昼電樣32、34，此二樑係藉由短件 型式連接構件36耦合在一起。該第—樑”長於該第二樑Μ 。该灯動電話的機殼30包括一聲輻射器38，其也可當作顯 土幕 4又換备係藉由短件型式耦合構件4〇耦合至該聲 麵射器38,並激發該聲輻射器38產生—聲音輸出，以回應

丨 2K 200401578 1連接U接收到的信號。該電連接42藉由該短件連接至^ I! 5構件4 〇及忒連接構件3 6係軸向對齋’並安裝於 各自樑的中部„ 琢機殼3〇包括由四個延伸指狀支座44a、44b、46a、46b 構成的支4構件，⑤等延#支座從該聲彳帛射s 3 8之下部的 機成J 〇延伸。第一對支座44a、44b支撐該第一樑3 2的各端 ，而第二對支座46a、46b則支撐該第二樑μ的各端。各支 座的兩端與各樑的兩端對齊。該等樑係固定於（如黏著於） 各自的支座，因此，可提供接近於簡單支撐該等樑各端之 邊界條件。 圖7 1 9顯示了該等樑端頂的替代排列方式。各種排列共 用的元件參考數芋相同。該變換器可用於圖4的行動電話或 其他應用中。 在圖7土9中，該變換器包括第—與第二樑50、52，由委 取方、中氺的短件5 4耦合。該第—樑5 〇係藉由一短件5 8連接 f —聲輻射器56。各樑包括—中心葉片60、62,其係失於 等長的上邵與下部壓電元件64、66、Μ、7〇之間。該聲拓 射器可為面板式。 巧 在圖7與8中，各樑50、52的中心葉片6〇、62係長於各老 的上邵與下部元件’並提供支撐構件。在圖了中，該等中《 葉片6〇、62自該聲輻射器56向外，肖，並連接至—支座j 該排列特別適合於面積遠大於變換器面積的聲4 " 兩種排列方式均接近實質上卩 在圖8中，該聲击……、間早支心“寺共振疋件： ^射森）係安裝於沿其周邊延伸的支座74

H512H I?- 200401578 。琢等中心葉片60、62係向該聲輻射器56脊曲，並連卜二 自該支座74向内延伸的連接器76。與圖7相 ά吊二糙5， 她"第一樑5〇。該排列特別適合於尺寸與變換器類似的 聲輻射器，並為變換器及聲輻射器提供同樣的邊界條件a 以此万式，簡化了裝配，因為該變換器與輻射器可組人於 一副總成中，無需將該變換器連接至地平面（如機殼 = 1涊耷猫射器。 在圖9中，該等中心葉片6〇、62係與各樑之上部與下部元 件共同延展。各樑50、52的兩端係固定於個別支座78，該· 支座將該等樑連接至一框架8〇。該等樑5〇、52係固定於該 支座78〈淺槽中’目而，該等支座沿該樑長度之延伸不超 過。以此方式’即達到了簡箪支撐與簡箪夾固（即部分夾 固）《間的邊界條件。該排列特別適合於較大的聲福射器。 4等支座78可載送電連接，提供驅動該變換器的信號，從 而典而叙電線。將支座推到樑上可獲得必須的電接觸。 圖丨〇頸不簡早支撐之雙樑變換器1 kHZ時應力與速度的 _ 關係。以益备_件+ - 、、— …、戟來計算該速度最大值，以負載不變來計算 ， $衾應力最大僧。t ' 丨且對月線顯示最佳負載，即獲得最大功率轉 換時的i載。如闰π 、 圖所不，當應力與速度約為其最大值的70% 時即出現此最佳值。 〜以貝戟的機械阻抗與該變換器相匹配，可實現隨 頻率之較平緩的1 ' 、 1力率、應力與速度變化，該頻率可下延呈 0 0 Η ζ及之下區++· . ™或。相反’若負載阻抗不匹配，例如太高 或太低，則功龜, 崎換可能下降1 〇倍。降低負載阻抗也可能

S5I2H -14- 200401578 引起過低頻羊模式，如約5〇〇 Hz。簡單支撐該等端部增加 了 β又佚益的機械阻抗。對於雙樑變換器’移除其中一樑 可柢消機械阻柷的增加，因而，該變換器保持與員載阻抗 相匹配。換言之，一簡單支撐之單樑變換器可能具有與無 雙樣變換器大約相同的阻抗。 圖丨丨顯示了實現負载阻抗與變換器阻抗相匹配之另一排 列万式。該變換器類似於圖7所用的變換器，其包括一單樑 8丨，孩樑具有夾於上壓電層與下壓電層84、86之間的一中 葉片8 -々上壓電層8 4係藉由一中心短件9 〇連接至一主 貝載，即一聲輻射器88，該等層84、86均由電連接驅動。 涿中心葉片82長於二壓電層’其兩端係彎曲以連接至一 第二負載，即面板94。該等彎曲端與該面板94共同形成該 樑之邊：條件。該面板係用作該等樑端的接面(ad祕ance) ’亚經選擇使該變換器之阻抗與該聲輕射⑽的阻抗匹說 。該面板94可鑿孔’以有效防止其在保持其機械阻抗時輻 射聲音。 H又換盜與—具有未限制共振元件之變換器組合可克 服限制該樑端部時產生的功率損 <。例如，圖丨2顯示具有 -樑50的-H — 變換器，其端麵限制於支座训，一第 二變_6 ’其藉由—連接短件1〇4安裝於該第 iC U 4第一文換益i 〇6之端部未受限制。雨個變換 器之功率經短件58相加，以驅動該聲輻射器56。以此方式 ’該組合的聲音輸出得益於該受限變換器之低頻延展及該 未限Φ1」又換益在中鬲頻率的較高輸出。

Qlh ί 8512Η -\5 - 200401578 圈式簡單說明 本發明可藉由附圖中的實洌概括說明，其中： 圖1為一揚聲器的斷面圖，該揚聲器包括根據先前技術的 一變換器： 圖2為依據本發明之第一方面的一變換器之斷面圖： 圖3為圖2之變換器與類似於圖1之一已知先前技術變換 器比較所獲得之功率與頻率關係圖表： 圖4為根據本發明另一方面之一行動電話之部分的正面 圖： 圖5與6為沿圖4中A A與B B線的斷面圖； 圖7至9為替代變換器的斷面圖； 圖10為一圖表，顯示與圖7至9之變換器類似的一變換器 的速度與力及頻率之間的關係； 圖11為依據本發明之另一方面的一變換器之斷面圖 及 圖丨2為依據本發明之另一方面的一變換器之斷面圖。 圖式代表符號說明 132 么十么 1 /*» 挟 器 1 34 面 板 1 3 6 搞 八 σ 構 件 138, 140 樑 的 二山 部 10 樑 1 2 輻 射 哭 σ 口 14 偶 八 口 構 件 to 85 12H -丨6 - 16200401578 3 0 支撐構件 行動電話機殼 % 一樣 34 第 二 樑 36 連 接 構 件 3 8 聲 輻 射 40 耦 合 構 件 42 電 連 接 44a: ! 44b 第 — 對 支座 46a: 46b 第 二 對 支座 50 第 -— 樑 5 2 第 二 樑 5 4 短 件 56 聲 輻 射 器 58 短 件 60, 62 中 心 茱 片 64, 68 上 壓 電 元件 66, 70 下 壓 元件 72 支 架 74 支座 76 連接 器 78 支座 80 框 架 8 1 樑

Γ; Π H5I2H -17 - 200401578 8 2 中心葉片 84 上壓電層 86 下壓電層 88 聲輕射器 90 中心短件 92 電連接 94 面板 1 04 連接短件 1 06 樑

H5 12S

Claims (1)

1. 200401578 拾、申請專利範圍： 1 一種具有一預設運作頻率範圍並包括一具有一周遌及 該運作頻率範圍内之頻率分佈模式之共振元件的機電 力變換器，其特徵為，支撑構件係耦合至該共振元件之 該周邊，該支撐構件對於該共振元件之彎曲波振動具有 實質限制性。 2 如申請專利範圍第丨項之變換器，其中該支撐構件簡箪 支撐該共振元件。 3 如申請專利範圍第1項之變換器，其中該支撐構件係耦 合至該共振元件之該周邊的至少兩個分離部分。 4 如申請專利範圍第3項之變換器，其中該等分離部分係 位於該共振元件之該周邊上大約相反的位置。 5 如申請專利範圍第丨項之變換器，其中該支撐構件至少 沿該共振元件之部分該周邊延伸。 6 如申請專利範圍第1項之變換器，其中該共振元件為平 面的。 7 如申請專利範圍第丨項之變換器，其包括該共振元件上 的耦合構件，用於將該變換器安裝至欲施加應力的地 點。 8 如申請專利範圍第1項之變換器，其中該支撐構件經調 整以使該變換器接地。 9 如申請專利範圍第1項之變換器，其中該支撐構件與該 共振元件整合為一體。 1 0如申請專利範圍第1項之變換器，其中該共振元件是活 H512H 200401578 動的元件。 1 1如申請專利範圍第1 0項之變換器，其中該共振元件為一 壓電裝置3 12如申請專利範圍第11項之變換器，其中該共振元件為具 有一中心葉片的雙晶片壓電裝置，該中心葉片經調整以 -形成該支撐構件。 13如申請專利範圍第1項之變換器，其中該共振元件係沿 兩個實質正常軸的模態，各軸具有一相關的基本頻率。0 1 4如申請專利範圍第1項之變換器，其包括複數個共振元 件，各共振元件具有一模式分佈，該等共振元件之該等 模式係交錯排列於該運作頻率範圍内，以將該變換器當 作一整體裝置而提高其模式分佈。 15如申請專利範圍第14項之變換器，其中該等共振元件係 藉由連接構件耦合在一起，並排列成耦合點軸向對齊的 堆疊。 1 6如申請專利範圍第1 4項之變換器，其中該支撐構件係耦 φ 合至各共振元件之該周邊。 丨7如申請專利範圍第1 4項之變換器，其中至少一個共振元 件不受限制。 18 —種包括一聲輻射器及如申請專利範圍第1項之一變換 器的揚聲器，該變換器係藉由镇合構件摇合至該聲輕射 器，以激發該聲輕射器產生一聲音輸出。 19如申請專利範圍第丨8項之揚聲器，其中該共振元件實質 上為聲音不主動的元件。 85 128 200401578 2 0如申請專利範圍第I 8項之揚聲器，其中該變換器之該機 械阻抗與該贫輪射器疋該機械阻抗匹配：） 2 1如申請專利範圍第20項之揚聲器，其中該變換器係安裝 於一第二負載，該第二負載確保該聲輻射器與該變換器 之間的阻抗匹配。 22 —種具有一機體且包括一安裝於該機體内如申請專利 範圍第18至21項中任一項之揚聲器的電子裝置。 23如申請專利範圍第22項之電子裝置，其中該支撐構件係 安裝於該機體上。 24如申請專利範圍第22項之電子裝置，其係為一可攜式蜂 窩電話之型式。 8512S