CN104718768B - 电声换能器及其制造方法和使用电声换能器的电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明有利于高效地发送高方向性超声波。一种电声换能器包括：压电振动器；外壳，设置与压电振动器相距预定空间，并且在外壳的内壁中包括锥台形切口；以及声吸收材料，装配在所述切口中；其中，沿着压电振动器的振荡方向在压电振动器前方在外壳中形成声孔；并且所述切口形成在所述外壳中，使得声音路径的孔直径沿着压电振动器的振荡方向朝向前端而减小。
Description
本发明基于并要求在2012年10月15日提交的日本专利申请No.2012-227920的优先权的权益，其全部公开通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及电声换能器、电声换能器的制造方法以及使用电声换能器的电子设备。
背景技术
近年来，具有高方向性以向特定位置的人传播声音的参数扬声器得到关注。希望将参数扬声器安装在例如移动电话等电子设备上，并且希望使用参数扬声器围绕用户传播声音信号。
在此，在参数扬声器安装在例如移动电话等电子设备上时，希望将参数扬声器小型化。然而原则上很难将动电型的电声换能器小型化。因此希望使用利用压电振动器的电声换能器。
专利文献1公开了一种电声换能器，包括压电振动器，并且被使能以在包括低频带的宽带中使用。
[专利文献1]
日本专利特开No.2006-246279A
发明内容
以上专利文献的公开通过引用合并于此。本发明给出了以下分析。
优选的是具有高方向性的参数扬声器，以便经由超声波传播声音。并且，优选地以高声压级发送超声波，以便使用压电振动器以高方向性发送超声波。然而，为了以高声压级发送超声波，需要对压电振动器施加高电压。换言之，向压电振动器施加的电压与发送的超声波的方向性之间有权衡关系。
专利文献1没有公开使用压电振动器高效地发送超声波的技术。
因此，需要一种有利于高效地发送高方向性的超声波的电声换能器、所述电声换能器的制造方法以及使用所述电声换能器的电子设备。
根据第一方面，提供了一种电声换能器，包括：压电振动器；外壳，设置为与压电振动器相距预定空间，并且在外壳的内壁中包括锥台形切口；以及声吸收材料，装配在所述切口中；其中，沿着压电振动器的振荡方向在压电振动器前方在外壳中形成声孔；并且所述切口形成在所述外壳中，使得声音路径的孔直径沿着压电振动器的振荡方向朝向前端而减小。
根据第二方面，提供了一种电子设备，包括电声换能器，所述电声换能器包括：压电振动器；外壳，设置为与压电振动器相距预定空间，并且在外壳的内壁中包括锥台形切口；以及声吸收材料，装配在所述切口中；其中，沿着压电振动器的振荡方向在压电振动器前方在外壳中形成声孔；所述切口形成在所述外壳中，使得声音路径的孔直径沿着压电振动器的振荡方向朝向前端而减小；并且使压电振动器振荡，使得发射具有大于20kHz频率的超声波。
根据第三方面，提供了一种电声换能器的制造方法，所述电声换能器包括压电振动器和外壳，所述制造方法包括：设置与压电振动器相距的预定空间；在外壳的内壁中形成锥台形切口；布置装配在所述切口中的声吸收；以及沿着压电振动器的振荡方向在压电振动器前方在外壳中形成声孔；其中，所述切口形成在所述外壳中，使得声音路径的孔直径沿着压电振动器的振荡方向朝向前端而减小。
根据本发明的每一方面，提供了一种有利于高效地振荡高方向性超声波的电声换能器、电声换能器的制造方法以及使用电声换能器的电子设备。
附图说明
图1是说明了示例实施例的图。
图2是示出了关于第一示例实施例的电声换能器1的示例的截面侧视图。
图3是示出了关于第一示例实施例的压电振动器10的示例的截面侧视图。
图4是示出了关于第二示例实施例的电声换能器1a的结构示例的侧视图。
图5是示出了关于第二示例实施例的结构示例以及关于比较性实施例的结构的图。
图6是示出了频率和声压级的测量结果的示例的图。
具体实施方式
首先将使用图1给出本发明示例实施例的概述。注意，概述中为了方便作为示例为每个元件给出的附图参考标记仅用于促进理解，概述的内容不旨在给出任何限制。
如上所述，向压电振动器施加的电压与发送的超声波的方向性之间具有权衡关系。因此需要一种有利于高效地发送高方向性声波的电声换能器。
作为示例，提供了图1所示的电声换能器100。电声换能器100包括压电振动器101以及与压电振动器101之间具有预定空间的外壳102。通过向压电振动器101施加电场，压电振动器101发送振荡的声波。沿着压电振动器101的振荡方向在压电振动器101的前面的外壳中形成声孔(sound hole)103。从压电振动器101发送的声波从声孔103发射到大气中。此外，在以下描述中，从压电振动器101发送的声波在到达声孔103之前经过的圆柱形路径被称作声音路径。
本文中，外壳102在其内壁上具有锥台(frustum)形切口。切口形成在外壳102中，使得声音路径的孔直径沿着压电振动器101的发送方向朝向前端而减小。因此，由于锥台形状，控制从压电振动器101发送的声波，使得声波经过声音路径并且朝向声孔103。具体地，在外壳101的内壁为圆锥台(truncated)形状的情况下，从压电振动器发送的声波的发散(divergence)被抑制。因此，切口有利于收集从压电振动器101发送的声波以及使方向性更高。
此外，在外壳102中形成的切口中布置装配在所述切口中的声吸收104材料。声吸收104有利于防止声波之间的干扰。此外，声吸收104有利于抵消除重放超声波以外频率的声波。因此，电声换能器100有利于高效地发送高方向性的声波。
在本发明中，有以下模式。
[模式1]作为涉及第一方面的电声换能器。
[模式2]优选地，外壳具有包括多角锥台形状或圆锥台形状的切口。
[模式3]优选地，声吸收材料包括多孔材料。
[模式4]优选地，声孔形成在与压电振动器的振荡表面相距振荡波波长的1/4和1/2之间的距离处。
[模式5]优选地，压电振动器发送具有大于20kHz频率的超声波。
[模式6]优选地，电声换能器包括并列布置在平面上的多个根据模式1至模式5中任一个的电声换能器。
[模式7]作为涉及第二方面的电子设备。
[模式8]作为涉及第三方面的电声换能器的制造方法。
[模式9]优选地，形成包括多角锥台形状或圆锥台形状的切口。
[模式10]优选地，声孔形成在与压电振动器的振荡表面相距振荡波波长的1/4和1/2之间的距离处。
以下将参考附图更详细描述具体示例实施例。在以下描述中，各种具体内容旨在促进对本发明的理解以便说明。
[示例实施例1]
将参考附图更详细描述第一示例实施例。
图2是示出了关于本示例实施例的电声换能器1的示例的截面侧视图。此外，为了简明起见，图2仅示出了与关于本示例实施例的电声换能器1相关的部件。
将电声换能器1设置在外壳11内部。例如，电声换能器1用作扬声器设备。扬声器设备可以是参数扬声器。在使用电声换能器1作为参数扬声器的情况下，优选地压电振动器发送具有大于20kHz频率的超声波。在这种情况下，参数扬声器将超声波解调为可听声音作为载波。具体地，首先，参数扬声器向大气发射调制的超声波。然后参数扬声器通过利用空气的非线性现象引起碰撞波来对调制波进行解调。
此外，当压电振动器10以高直线度(straightness)发送超声波时，可以形成具有高方向性的声场。因此，关于示例实施例的电声换能器1可以围绕用户附近发射声波。
例如，优选地，电声换能器1是智能电话、移动电话、游戏设备、平板PC(个人计算机)、笔记本PC和PDA(个人数字助理)的声源。
并且，压电振动器10经由接合部件与外壳11接合。此外，在与压电振动器10的与外壳11相对的表面相距预定空间处布置基板15。并且，压电振动器10经由保持部件16与表面接合。
通过限制在朝向厚度的方向上极化的压电物质21来配置压电振动器10。并且，通过向压电振动器10施加电场，压电振动器10发送振荡的声波。因此，优选地包括电声换能器1的电子设备包括振荡电路(图中未示出)，所述振荡电路产生施加到压电物质21的电信号。
外壳11与压电振动器10相距预定的空间。并且，沿着压电振动器10的振荡方向在压电振荡器前方在外壳10中形成声孔13。压电振动器10发送的声波经过声孔13并且被发射到电声换能器1外部。
此外，外壳11在其内壁上具有锥台形切口。切口包括多角锥台形状或圆锥台形状等等。切口形成在外壳11中，使得声音路径的孔直径沿着压电振动器101的发送方向朝向前端而减小。由于形成切口，在切口区域收集声波。因此，电声换能器1可以高效地从声孔发射声波。
并且，在外壳11中形成的切口中布置装配在所述切口中的声吸收材料14。优选地，声吸收材料14是多孔材料，例如，聚亚安酯等。可以通过布置多孔材料的形状来布置要抵消的频率。具体地，当声波进入多孔材料的空缺(vacancy)时，声波在空缺中扩散。因此，根据空缺的形状，具有预定频率的波扩散并减小。
优选地，在与压电振动器10的振荡表面相距振荡波波长的1/4和1/2之间的距离处形成声孔13。由于声孔13与压电振动器10的表面之间的距离被限制在该范围内，可以高效地抵消不必要的超声波。
图3是示出了压电振动器10的示例的截面侧视图。为了简明起见，图3仅示出了与关于本示例实施例的电声换能器1相关的部件。
振动部件20具有向整个电声换能器1传播在压电振动器10上产生的振荡的功能。并且，如图3所示，优选地压电振动器10具有压电物质21被限制在振动部件20的主表面两侧的结构(双压电晶片元件(bimorph)结构)。相较于压电振动器10具有单压电晶片元件(unimorph)结构的情况，当压电振动器10具有双压电晶片元件结构时，压电振动器10的幅度值更大。此外，单压电晶片元件是压电物质21被限制在振动部件20的主表面之一上的结构。
将电极22限制在压电物质21的两侧。因此，压电物质21沿着朝向厚度的方向被极化。构成压电物质21的材料是具有压电效应的材料，并且可以是无机材料或有机材料。例如，构成压电物质21的材料可以是压电陶瓷，所述压电陶瓷例如是锆钛酸铅、钛酸钡等等。
此外，对构成电极的22的材料没有限制，例如可以是银、银/钯。银具有低电阻，用作一般电极材料。银/钯具有低电阻，此外对于氧化物具有高电阻。此外，存在多种优选用于电极的材料，然而对优选用于电极的材料的细节没有限制。
现在，如上所述，优选地压电物质21是压电陶瓷，然而压电陶瓷是易碎的。因此，在压电物质21由压电陶瓷构成的情况下，难以改变压电物质21的形状。因此，优选地通过改变振动部件20的厚度、材料等来改变谐振频率，这限制了压电物质21。
因此，优选地振动部件20对于压电物质21具有较高的刚度。在振动部件20的刚度过低或过高的情况下，可能降低作为机械振动器的特性或可靠性。例如，振动部件20可以由磷青铜、不锈钢等金属材料构成。或者，振动部件20可以是金属材料和树脂的合成材料。由于使振动部件20由金属材料和树脂的合成材料构成，所以能够有利于布置振动部件20的刚度。存在多种优选用于振动部件20的材料，然而对优选用于振动部件20的材料的细节没有限制。
此外，可以经由支撑部件24将振动部件20与框架23接合。对于构成框架23的材料没有限制，如果所述材料具有高刚度的话。构成框架23的材料可以是金属材料、有机材料等。例如，构成框架23的材料可以是不锈钢、黄铜等。
对于构成支撑部件24的材料没有限制，如果所述材料吸收振动的话。例如，构成支撑部件24的材料可以是树脂材料。当压电振动器10振动时，支撑部件24有利于减小应力集中的边缘区域的刚度。那么，支撑部件24有利于增大压电振动器10的幅度。
此外，当压电振动器10振动时，应力集中在振动部件20与压电物质21之间的接触区域上。因此，优选地在振动部件20的应力集中区域布置弹性部件25。本文中，对于构成弹性部件25的材料没有限制，如果所述材料具有高柔性的话。此外，可以通过在振动部件20形成涂覆膜来布置振动部件20的弹性。通过提供弹性部件25作为振动部件20，改善了对于下落的耐冲击性。
如上所述，电声换能器1可以抵消具有不必要频率的声波。因此，电声换能器1能够高效地发射具有预定频率的超声波。
[示例实施例2]
将参考附图更详细描述第二示例实施例。
在第二示例实施例中，将关于第一示例实施例的电声换能器1并列布置在平面上。注意，在本示例实施例的描述中省略了与第一示例实施例重叠的描述。此外，对于与第一示例实施例中的元件相同的元件给出了相同的标记，在本示例实施例的描述中将省略对这些相同元件的说明。
图4是关于本示例实施例的电声换能器1a的结构示例的侧视图。
经由接合部件12将每个压电振动器10与外壳11接合。此外，经由保持部件16将每个压电振动器10与基板15接合。并且，在声音路径上形成外壳11中的锥台形切口，其中从每个压电振动器10产生的声波在所述声音路径上传播。
并且，通过在配置本示例实施例的电声换能器1a的压电振动器10中选择性驱动多个压电振动器10之一，可以改善电声换能器1a的方向性。也就是说，通过选择性驱动压电振动器10，可以形成朝向特定方向的声场。
图5是示出了包括压电振动器10和外壳11的比较性结构示例的图。图5(a)是示出了关于本示例实施例的电声换能器1a的示例的图。图5(b)是没有形成锥台形切口并且不具有声吸收材料14的电声换能器3的示例的图。在图5(a)和图5(b)所示的两个结构中，将包括压电振动器10的电声换能器布置成阵列。在以下描述中，将图5(a)所示的电声换能器1a的结构称作“本示例实施例的结构”。另一方面，将图5(b)所示的电声换能器3的结构称作“比较性实施例的结构”。
并且，图6是示出了与本示例实施例的结构和比较性实施例的结构有关的频率和声压级测量结果的示例的图。此外，在图6中，关于本示例实施例的结构和比较性实施例的结构，公共部件的物理特性是一致的。此外，在图6中，关于本示例实施例的结构和比较性实施例的结构，假定包括温度等在内的测量条件是相同的。
如图6所示，关于本示例实施例的结构和比较性实施例的结构，声压级在大约60kHz达到峰值。然而本示例实施例结构的声压级的峰值比比较性实施例结构的声压级峰值高。因此，可以认识到，本示例实施例的结构相较于比较性实施例的结构改善了声压级。
此外，在本示例实施例的结构中，声压的改变造成了单一峰。另一方面，在比较性实施例的结构中，声压级的改变造成了多个峰。具体地，在比较性实施例的结构中，声压级在大约40kHz、大约60kHz和大约95kHz处增大。因此，如图6所示，可以承认，本示例实施例的结构能够抵消具有冗余频率的超声波。此外，图6是示出了本示例实施例的比较性结构和比较性实施例的结构的示例的图。因此，声压级达到峰值时的频率、声音电平等根据每个元件的特征(figure)、每个元件的物理特性以及测量条件而变化是合理的。
在以上示例实施例中，关于双压电晶片元件结构说明了将压电物质21限制在振动部件20的主表面的两侧。然而将压电物质21限制在振动部件20的主表面之一上的结构(单压电晶片元件结构)能够应用于示例实施例。
以上专利文献和非专利文献的公开通过参考合并于此。在本发明的全部公开(包括权利要求在内)的范围内，基于本发明的基本技术构思，可以对示例实施例和示例做成修改和调整。也就是说，本发明必然包括本领域技术人员根据包括权利要求和技术构思在内的全部公开能够做出的各种变形和修改。
1，1a，3，100 电声换能器
10，101 压电振动器
11，102，111 外壳
12 接合部件
13，103 声孔
14，104 声吸收材料
15 基板
16 保持部件
20 振动部件
21 压电物质
22 电极
23 框架
24 支撑部件
25 弹性部件
Claims (10)
1.一种电声换能器，包括：
压电振动器；
外壳，设置为与所述压电振动器相距预定空间，并且在外壳的内壁中包括锥台形切口；以及
声吸收材料，装配在所述切口中；
其中，沿着压电振动器的振荡方向在压电振动器前方在外壳中形成声孔；
其中所述声吸收材料覆盖所述声孔的开口侧；并且
其中所述切口形成在所述外壳中，使得声音路径的孔直径沿着压电振动器的振荡方向朝向前端而减小。
2.根据权利要求1所述的电声换能器，其中，所述外壳具有包括多角锥台形状或圆锥台形状的切口。
3.根据权利要求1或2所述的电声换能器，其中，所述声吸收材料包括多孔材料。
4.根据权利要求1或2所述的电声换能器，其中，所述声孔形成在与压电振动器的振荡表面相距振荡波波长的1/4和1/2之间的距离处。
5.根据权利要求1或2所述的电声换能器，其中，所述压电振动器发送具有大于20kHz频率的超声波。
6.一种电声换能器，包括并列布置在平面上的多个根据权利要求1或2所述的电声换能器。
7.一种电子设备，包括根据权利要求1或2所述的电声换能器，其中，所述电子设备配置为使压电振动器振荡，使得发射具有大于20kHz频率的超声波。
8.一种电声换能器的制造方法，所述电声换能器包括压电振动器和外壳，所述制造方法包括：
设置与压电振动器相距的预定空间；
在外壳的内壁中形成锥台形切口；
沿着压电振动器的振荡方向在压电振动器前方在外壳中形成声孔；以及
设置装配在所述切口中的声吸收材料并且声吸收材料覆盖声孔的开口侧；
其中，所述切口形成在所述外壳中，使得声音路径的孔直径沿着压电振动器的振荡方向朝向前端而减小。
9.根据权利要求8所述的电声换能器的制造方法，其中，形成包括多角锥台形状或圆锥台形状的切口。
10.根据权利要求8或9所述的电声换能器的制造方法，其中，所述声孔形成在与压电振动器的振荡表面相距振荡波波长的1/4和1/2之间的距离处。
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