CN102572660A - 压电扬声器 - Google Patents

Abstract

公开了一种压电扬声器，其包括：将电信号转化成振动并输出声音的压电层；形成在所述压电层的顶部或底部上以将电信号施加到所述压电层的电极；声学隔膜，其由包括第一声学隔膜和第二声学隔膜的异质材料制成并附着到其上形成有所述电极的所述压电层的底部；和以包封所述声学隔膜的侧面形式附着的框体。

Description

压电扬声器

相关申请的交叉引用

本申请基于2010年12月10日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2010-0126266并要求其优先权，该申请的公开内容在此通过引用以其全部纳入。

技术领域

本公开涉及能够再现低频范围并改善输出声压的低频增强的压电扬声器，更具体地说，本公开涉及能够通过使用以接合、涂覆、或沉积异质材料形成的声学隔膜而改善声音品质、即使在低频下仍获得高声压并改善声音平整度(sound flatness)的低频增强的压电扬声器。

背景技术

近来，除了便携终端如移动电话、智能电话、笔记本电脑等，随着TV产品(包括LED TV等)的薄度增加，压电扬声器已引人注目地成为使用电磁线圈的现有动态扬声器的替代品。与现有的动态扬声器相比，压电扬声器可制造成更薄更轻，并且可消耗更少的能量，使得其已成为未来的扬声器技术。尤其是，由于要求便携终端是小的、薄的、和轻的，已积极研究压电扬声器的应用。

但是，尽管有上述优点，压电扬声器难以商业化，因为与相关领域的动态扬声器相比，压电扬声器输出低声压，并且难以再现低频。相关技术的压电扬声器的示例可包括通过使用压电振动器或将压电盘附着到金属隔膜的顶部而制造的压电扬声器，膜型压电扬声器如聚偏二氟乙烯(PVDF)，通过使用聚硅氧烷机电微加工(micromachined)***(MEMS)工艺制造的微型压电扬声器等。

作为相关技术的压电扬声器，使用压电振动器的压电扬声器通过将压电振动器附着到振动器面板的外侧来制造，并利用通过以压电振动器使振动面板振动来产生声音的原理。使用压电振动器的压电扬声器需要将压电材料的振动经由用于传输振动的弹性体传输到振动器面板，从而需要压电材料非常大的振动以及相对来说比压电振动器大的振动器面板。此外，在使用压电振动器的压电扬声器的情况下，可能在传输振动的过程期间发生不需要的共振，使得可能出现输出声压的最大峰谷并且可能出现声音失真，而使声音品质劣化。

作为另一相关技术的压电扬声器，通过将压电盘附着到金属隔膜的顶部而制造的压电扬声器具有通过使用接合材料将压电材料接合到金属板或合金等制成的振动薄膜的顶部的结构，并利用通过施加到压电材料的输入信号使金属隔膜位移而再现声音的原理。与相关技术的使用压电振动器的压电扬声器相比，该压电扬声器可以小型化，并且由于金属隔膜优异的振动传输性能而可以以低电压驱动。但是，使用金属隔膜的压电扬声器的振动薄膜相对来说比压电材料厚，使得使用金属隔膜的压电扬声器可能不能输出低声压，并且难以再现低频。而且，由于金属非常高的弹性模量，使用金属隔膜的压电扬声器会难以再现1kHz或更低的低频。此外，在使用现有的金属板的振动薄膜的情况下，由于金属材料冰冷和尖锐的音调，不能很好地实现丰富的声场效果，并且由于支撑振动薄膜的框体，会出现不需要的共振，使声音失真。

作为另一相关技术的压电扬声器，使用压电膜材料的膜型压电扬声器利用的以下原理，使用压电膜材料如PVDF在金属隔膜的顶部和底部上形成电极，以及将电压施加到该电极以产生声音。该膜型压电扬声器制造成这样的结构，其中聚合物导电层形成在压电膜的两侧，并且电极形成为沿聚合物导电层边缘延伸的形式，然后形成端子以将电压施加到该电极。该膜型压电扬声器的压电材料的压电常数低，产生小的位移，使得该膜型压电扬声器需要制造成大面积的压电扬声器，并且与相关技术的其它扬声器相比，需要相对来说较大的振动薄膜。

相关技术的压电扬声器输出比动态扬声器低的声压，尤其是，会非常难以再现低频。此外，相关技术的压电扬声器具有窄的再现频带而使声音品质劣化，并需要足够薄或大的隔膜以进行低频再现，使得当考虑高输出声压和低频再现时，不易于使该压电扬声器小型化。

发明内容

本公开努力提供了一种低频增强压电扬声器，其通过使用以接合、涂覆、或沉积异质材料而形成的声学隔膜，能够改善声音品质、即使在低频下仍获得高声压、并改善声音平整度。

本公开的示例性实施方式提供了一种压电扬声器，其包括：将电信号转化成振动并输出声音的压电层；形成在所述压电层的顶部或底部上以将电信号施加到所述压电层的电极；声学隔膜，其由包括第一声学隔膜和第二声学隔膜的异质材料制成并附着到其上形成有所述电极的所述压电层的底部；和以包封所述声学隔膜的侧面形式附着的框体。

如上所述，本公开提供了压电扬声器，其包含通过接合或涂覆异质材料而形成的声学隔膜，从而通过使用以接合或涂覆异质材料而形成的声学隔膜，改善了声音品质，即使在低频下仍获得高输出声压，并改善了声音平整度。

而且，本公开提供了通过接合或涂覆异质材料而形成的声学隔膜，以及包含非对称地且倾斜地附着到其上部的压电层的压电扬声器，从而通过减小声音失真，改善了低频声压并显著地改善了声音品质。

前述发明内容仅是说明性的，并不旨在以任何方式限制。除了上述说明性的方面、实施方式、和特征外，进一步的方面、实施方式、和特征将通过参考附图和以下详细说明而变得明晰。

附图说明

图1和2各自为根据本公开的第一示例性实施方式的压电扬声器的截面图和平面图。

图3和4各自为根据本公开的第二示例性实施方式的压电扬声器的截面图和平面图。

图5为根据本公开的第三示例性实施方式的压电扬声器的截面图。

图6为根据本公开的第四示例性实施方式的压电扬声器的截面图。

图7为显示形成在根据本公开的第四示例性实施方式的压电扬声器的保护盖上的多个声学孔的各种形式的图。

图8和9各自为根据本公开的第五示例性实施方式的压电扬声器的截面图和平面图。

图10为包含根据本公开的示例性实施方式的压电扬声器的扬声器阵列的剖面透视图。

图11为显示根据本公开的示例性实施方式的压电扬声器的输出声压特性的曲线图。

具体实施方式

在以下详细说明中，参考形成该详细说明一部分的附图。详细说明、附图和权利要求中所述的说明性的实施方式不意味限制。可采用其它实施方式，并可作出其它改变，但不出离本文提出的主题的主旨或范围。

图1和2各自为根据本公开的第一示例性实施方式的压电扬声器的截面图和平面图。

参考图1和2，根据本公开的第一示例性实施方式的压电扬声器包含配置为单层薄膜或具有堆叠结构的薄膜的压电层110，形成在压电层110的顶部、或其顶部和底部的电极120，以倾斜的结构或非对称的结构附着到压电层110并通过接合、沉积、或涂覆异质材料130a和130b而形成的声学隔膜130，将压电层110附着到声学隔膜130的高弹性阻尼材料层140，以包封声学隔膜130的侧面的形式通过高弹性接合剂152附着的框体150等。

压电层110将电信号转换成物理振动以输出声音，并通过在厚膜型压电陶瓷上进行抛光工艺而形成为薄的单层薄膜，或通过沉积或涂覆具有堆叠结构的薄膜而形成。压电层110可包含多晶陶瓷(如PZT)，单晶压电材料(如PZN-PT、PIN-PT、PYN-PT等)，含铅压电聚合物材料(如PVDF、PVDF-TrFE等)，和无铅压电新材料(如BNT(BaNiTiO₃)、BZT-BCT等)。此外，压电层110可具有各种形状，如四边形、圆形、椭圆形、多边形等。

此外，压电层110可以倾斜的结构或任何非对称结构附着到声学隔膜130，从而避免结构对称性。具体来说，压电层100可形成为相对于声学隔膜130具有45＜α＜90的角度。理想地，压电层110可具有角度为60～75度的倾斜的结构。也就是说，压电扬声器在所有方向上的结构对称性都需要避免，但具有倾斜的结构从而使在框体150四个顶角处的应力均匀。通过防止由压电层110产生的机械振动由于压电扬声器的框体150而形成驻波，这种类型的倾斜结构减少了声音失真并改善了声音品质。

电极120包含第一电极120a和第二电极120b，并形成在压电层110的顶部或底部上以使压电层110的两侧都电开放，从而将电信号施加到压电层110。

如图2所示，第一电极120a和第二电极120b各自形成在压电层110的顶部和底部上。在这样的配置中，正电极和负电极可通过将第二电极120b连接到压电层110的顶部上的预定区域而形成在压电层110的顶部上。在这样的情况下，当正电极和负电极形成在压电层110的顶部上时，正电极和负电极可为电开放的，从而不会使正电极和负电极短路。

第一电极120a和第二电极120b可以包括四边形、扇形等的各种形状形成，并且以预定间隔彼此隔开，使得第一电极120a和第二电极120b可设置成当与外部端子连接时易于焊接。

在本公开中，叉指式电极可用作电极120。结果，本公开可利用压电层110的横向极化模式(lateral polarization mode)，使位移大于顶部和底部电极，并获得高声压。

声学隔膜130通过接合、涂覆或沉积包含第一声学隔膜130a和第二声学隔膜130b的异质材料130而形成。

第一声学隔膜130a可包含具有低杨氏模量的材料，例如，橡胶、聚硅氧烷、聚氨酯等，并可形成为10～300μm的厚度。因此，第一声学隔膜130a具有比现有的声学隔膜更低的杨氏模量和更大的振动吸收率，从而吸收由压电层110的振动产生的失真组分和减少声音失真。

第二声学隔膜130b可包含杨氏模量为第一声学隔膜130a的10倍的材料，例如，塑料、金属、碳纳米管(CNT)、石墨烯等，并可形成为1～50μm的厚度。因此，第二声学隔膜130b可改善压电扬声器的频率响应特性，并可使输出声压的直到高频带的特性均匀。

因此，与现有的压电扬声器相比，根据本公开的示例性实施方式的压电扬声器可通过上述声学隔膜130的结构显著地改善低频范围，并可改善声音的平整度。也就是说，第一声学隔膜130a具有低的杨氏模量并是厚的，以降低初始共振频率，从而显著地改善低频再现，并且第二声学隔膜130b可改善，使第一声学隔膜130a具有大的阻尼且不会快速传输声音，从而改善压电扬声器的频率响应特性和使输出声压的直到高频带的特性均匀。

框体150使用高弹性环氧树脂(epoxy)152以包封声学隔膜130的侧面的形式附着，并可包含塑料，所述塑料包括聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚缩醛(POM)、聚碳酸酯(PC)等，或包含铝或不锈钢的金属或合金，从而当声学隔膜130振动时，最小化由于内部损耗造成的反振动。此外，框体150可制造为1mm或更低的厚度从而减少不需要的尺寸。

图3和4各自为根据本公开的第二示例性实施方式的压电扬声器的截面图和平面图。

参考图3和4，根据本公开的第二示例性实施方式的压电扬声器具有与图1的压电扬声器相同的结构，但声学隔膜330配置成具有单一结构。也就是说，根据第二示例性实施方式的压电扬声器的声学隔膜330由具有单一结构的纳米复合材料制成。在这样的情况下，所述纳米复合材料为通过将聚合物如橡胶、聚硅氧烷、聚氨酯等和纳米结构材料如碳纳米管(CNT)、石墨烯等组合而获得的材料。

因此，根据本公开的第二示例性实施方式的压电扬声器的声学隔膜330在具有与图1通过接合、涂覆或沉积异质材料而形成的声学隔膜130相同特性的同时是廉价的，并可大规模生产。

图5是根据本公开的第三示例性实施方式的压电扬声器的截面图。

参考图5，根据本公开的第三示例性实施方式的压电扬声器具有与图1的压电扬声器相同的结构，但具有不同的框体550结构。也就是说，框体550形成为包封压电扬声器的后部辐射的包封形式。压电扬声器的声辐射从其前部和后部以相同的声压辐射，使得来自其前部的输出声压可由于来自压电扬声器的后部的声辐射而降低。尤其是，由于声波的波长在低频范围长，压电扬声器受到后部声辐射的更多影响。

因此，在根据本公开的第三示例性实施方式的压电扬声器中，框体550的结构形成为以物理方式阻断到其后部的声辐射包封形式，从而显著地改善压电扬声器的来自其前部的输出声压。

图6为根据本公开的第四示例性实施方式的压电扬声器的截面图。

参考图6，根据本公开的第四示例性实施方式的压电扬声器包含阻断到其后部的辐射的框体650，类似于图5的压电扬声器。但是，根据本公开的第四示例性实施方式的压电扬声器进一步包含形成在其前部上的多个声学孔662和保护压电扬声器不受到其前部的声辐射影响的保护盖660。在保护盖660前部处的多个声学孔662可设置成如图7所示的圆形、椭圆形、多边形和放射形，并且各个声学孔可形成为圆形、椭圆形、多边形、或弯月形。

此外，保护多个声学孔662的无纺织物(未示出)可附着到保护盖660的前部。

图8和9各自为根据本公开的第五示例性实施方式的压电扬声器的截面图和平面图。

参考图8和9，根据本公开的第五示例性实施方式的压电扬声器具有与图1的压电扬声器相同的结构，但声学隔膜830设置有预定图案的褶皱832。具体来说，如图9所示，根据本公开的第五示例性实施方式的压电扬声器具有形成在声学隔膜830的上表面上的除附着压电层810的表面以外处的褶皱832。声学隔膜830的褶皱832使声学隔膜830比现有的平坦型声学隔膜更具柔性，从而改善了低频处的再现特性并抑制了声学隔膜830的分区振动，保护声学隔膜830不会随着振动而被弯曲。

图10为包含根据本公开的示例性实施方式的压电扬声器的扬声器阵列的剖面透视图。

根据本公开的示例性实施方式的压电扬声器可安装在如图10所示的扬声器阵列1000上。

参考图10，压电扬声器1010使用环氧树脂附着到框体1020，并且盖子1030附着到包含压电扬声器1010的框体1020的前部，盖子1030包含用于保护压电扬声器1010的前部的无纺织物(未示出)，或包含前部声学孔1032。在扬声器阵列1000的配置中，由于框体1020提高内部损耗，需要最小化由于压电扬声器1010的振动造成的反振动。此外，扬声器阵列1000的框体1020可设计成包括单独扬声器的包封。

如图10所示，扬声器阵列1000可配置成容纳两个压电扬声器，并且扬声器阵列1000可配置成包括至少两个线性阵列和多个扬声器表面型阵列。

图11为显示根据本公开的示例性实施方式的压电扬声器的输出声压特性的图。

参考图11，当将根据本公开的示例性实施方式的压电扬声器的输出声压(-■-)与市售的相关技术的压电扬声器的输出声压(-◆-，-★-)进行比较时，根据本公开的示例性实施方式的压电扬声器显示出比市售的相关技术的压电扬声器的输出声压高的输出声压。尤其是，可以确认的是，根据本公开的示例性实施方式的压电扬声器可以显著地增强在低频范围的输出声压。也就是说，根据本公开的示例性实施方式的压电扬声器可良好地再现市售的相关技术的压电扬声器不太可能实现的低频，并且与相关技术相比，可通过异质材料制成的声学隔膜在较宽的频带获得更高的输出声压。

此外，通常的压电扬声器可随着声学隔膜尺寸的增加而获得较大的输出声压。因此，如果根据本公开的示例性实施方式的压电扬声器的尺寸增加，明显的是，与现有的压电扬声器相比，本公开的压电扬声器可获得较大的输出声压和低频特性。因此，与相关技术的压电扬声器相比，根据本公开的示例性实施方式的压电扬声器得到小型化，但可进一步改善输出声压特性和显著地改善低音输出。

从前述内容领会的是，这里描述本公开的各种实施方式是为了说明的目的，并且可作出各种改型而不会出离本公开的范围和主旨。因此，这里披露的各种实施方式不旨在进行限制，并且真正的范围和主旨由所附权利要求表示。

Claims (20)

1.一种压电扬声器，包含：

将电信号转化成振动并输出声音的压电层；

形成在所述压电层的顶部或底部上以将电信号施加到所述压电层的电极；

声学隔膜，所述声学隔膜由包括第一声学隔膜和第二声学隔膜的异质材料制成并附着到其上形成有所述电极的所述压电层的底部；和

以包封所述声学隔膜的侧面的形式附着的框体。

2.根据权利要求1所述的压电扬声器，其中所述压电层配置为单层薄膜或具有堆叠结构的薄膜。

3.根据权利要求1所述的压电扬声器，其中所述压电层包含PZT、PMN-PT、PZN-PT、PIN-PT、PYN-PT、PVDF、PVDF-TrFE、BNT(BaNiTiO₃)、和BZT-BCT中的至少之一。

4.根据权利要求1所述的压电扬声器，其中所述压电层形成为多边形、圆形、和椭圆形中任意之一。

5.根据权利要求1所述的压电扬声器，其中所述压电层以倾斜结构或非对称结构附着到所述声学隔膜。

6.根据权利要求1所述的压电扬声器，其中所述电极为叉指式电极。

7.根据权利要求1所述的压电扬声器，其中第一声学隔膜的杨氏模量低于第二声学隔膜的杨氏模量。

8.根据权利要求1所述的压电扬声器，其中第一声学隔膜包含橡胶、聚硅氧烷、和聚氨酯中的至少之一。

9.根据权利要求1所述的压电扬声器，其中第二声学隔膜包含塑料、金属、碳纳米管(CNT)、和石墨烯中的至少之一。

10.根据权利要求1所述的压电扬声器，其中所述异质材料使用接合、涂覆、和沉积方法中的任意之一形成。

11.根据权利要求1所述的压电扬声器，其中所述声学隔膜使用纳米复合材料代替所述异质材料。

12.权利要求10所述的压电扬声器，其中所述纳米复合材料是通过将包含橡胶、聚硅氧烷、和聚氨酯中的至少之一的聚合物和包含碳纳米管(CNT)或石墨烯的纳米结构材料组合而形成的。

13.根据权利要求1所述的压电扬声器，其中所述声学隔膜的上表面在除了附着所述压电层的表面之外处形成有褶皱。

14.根据权利要求1所述的压电扬声器，其中所述框体配置成包封来自所述声学隔膜后面的声辐射的包封形式，并通过与所述声学隔膜的下表面间隔分离而形成预定的空间。

15.根据权利要求1所述的压电扬声器，其中所述框体由包含聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚缩醛(POM)、和聚碳酸酯(PC)中的至少之一的塑料、或包含铝或不锈钢的金属或合金制成。

16.根据权利要求1所述的压电扬声器，进一步包含将所述压电层接合到所述声学隔膜的高弹性阻尼材料层。

17.权利要求16所述的压电扬声器，其中所述阻尼材料层包含橡胶、聚硅氧烷、和聚氨酯中的至少之一。

18.根据权利要求1所述的压电扬声器，进一步包含保护盖，所述保护盖具有形成在其前部的多个声学孔并容纳所述压电扬声器的前部。

19.权利要求18所述的压电扬声器，其中所述多个声学孔设置为圆形、椭圆形、多边形、和放射形中任意之一。

20.权利要求18所述的压电扬声器，其中所述保护盖进一步包含无纺织物，其保护形成在其前部上的所述多个声学孔。

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