JP7253094B1

JP7253094B1 - 圧電スピーカ

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Publication number: JP7253094B1
Application number: JP2022095126A
Authority: JP
Inventors: 宇沈; ▲強▼ 但; 一▲ウェイ▼ 周; ▲詩▼▲陽▼ 程; ▲楊▼ 李
Original assignee: エーエーシーカイタイテクノロジーズ（ウーハン）カンパニーリミテッド
Priority date: 2022-01-19
Filing date: 2022-06-13
Publication date: 2023-04-05
Anticipated expiration: 2042-06-13
Also published as: CN114697835A; US12015896B2; JP2023105776A; US20230232160A1

Abstract

【課題】比較的高い音圧レベルを提供する圧電スピーカを提供する。
【解決手段】圧電スピーカは、基板１０と、支持構造２０と、第１駆動構造３０と、伝動構造４０と、仕切り溝５０と、を含む。基板にはキャビティ１１が穿設されており、支持構造は基板に設けられ、かつ、キャビティを覆う。第１駆動構造は、支持構造に積層される。第１駆動構造は、交互に積み重ねて設けられた第１電極層３６及び第１圧電層３８を含む。伝動構造は、駆動構造に積層される。仕切り溝は、支持構造及び駆動構造を貫通することにより、第１駆動構造を第１圧電駆動部３１と第２圧電駆動部３２とに仕切る。伝動構造の剛性は駆動構造の剛性以下であり、第１駆動構造の剛性は支持構造の剛性以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、スピーカの技術分野に関し、特に圧電スピーカに関する。

スピーカは、一般的な電気音響交換装置として、スマート端末装置に広く応用されており、マンマシンインタラクションインタフェースを実現するキーであり、スマート端末の電子装置の小型化によってスピーカの体積もますます小さくなるが、小型化されたスピーカでは、発音面積が小さいため、非常に高い音圧レベル（ＳＰＬ）を得ることが困難である。

本発明は、従来技術に存在した技術問題を解決するために、比較的高い音圧レベルを提供できる圧電スピーカを提供することを目的とするものである。

本発明は、圧電スピーカを提供し、当該圧電スピーカは、基板と、支持構造と、第１駆動構造と、伝動構造とを含み、
前記基板には、キャビティが穿設されており、
前記支持構造は、前記基板に設けられかつ前記キャビティを覆い、
前記第１駆動構造は、前記支持構造に積層され、前記第１駆動構造は、交互に積み重ねて設けられた第１電極層及び第１圧電層を含み、
前記伝動構造は、前記第１駆動構造に積層されており、
前記圧電スピーカは、さらに仕切り溝を含み、前記仕切り溝は、前記支持構造及び前記第１駆動構造を貫通することにより、前記第１駆動構造を第１圧電駆動部と第２圧電駆動部とに仕切り、前記伝動構造の剛性は、前記第１駆動構造の剛性以下であり、前記第１駆動構造の剛性は、前記支持構造の剛性以下である。

前記のような圧電スピーカであって、好ましくは、前記圧電スピーカは、さらに前記支持構造と前記第１駆動構造をと貫通するスリットを含み、前記第１駆動構造は、複数の前記第１圧電駆動部を含み、隣接する前記第１圧電駆動部同士は、前記スリットにより仕切られる。

前記のような圧電スピーカであって、好ましくは、複数の前記第１圧電駆動部は、前記スリットにより環状に間隔を隔てて前記第２圧電駆動部の外側に設けられている。

前記のような圧電スピーカであって、好ましくは、前記第２圧電駆動部は、連結梁によって前記第１圧電駆動部又は前記基板に接続されている。

前記のような圧電スピーカであって、好ましくは、前記第１圧電駆動部は、第１電気信号により制御され、前記第２圧電駆動部は、第２電気信号により制御される。

前記のような圧電スピーカであって、好ましくは、前記第１電気信号と前記第２電気信号とは、位相差が等しく、振幅値の大きさが等しいが、当該振幅値の正負が逆である。

前記のような圧電スピーカであって、好ましくは、前記第１電気信号と前記第２電気信号とは、振幅値の大きさが等しく、当該振幅値の正負が一致するが、位相がｎπ異なる。

前記のような圧電スピーカであって、好ましくは、前記第１電気信号又は前記第２電気信号は、ゼロである。

前記のような圧電スピーカであって、好ましくは、前記第１圧電駆動部と前記第２圧電駆動部は、いずれも同一の電気信号により駆動される。

前記のような圧電スピーカであって、好ましくは、前記圧電スピーカは、さらに前記第１駆動構造に積み重ねて設けられる第２駆動構造を含み、前記第２駆動構造は、前記伝動構造の前記第１駆動構造に近接する側に嵌設され、前記第２駆動構造は、前記伝動構造の剛性以上であり、前記支持構造の剛性は、前記第２駆動構造の剛性以上であり、前記第２駆動構造は、交互に積み重ねて設けられた第２電極層及び第２圧電層を含み、前記仕切り溝の前記伝動構造における正投影は、前記第２駆動構造に位置する。

前記のような圧電スピーカであって、好ましくは、前記第２圧電駆動部と前記第１圧電駆動部は、いずれも同一の電気信号により駆動することができ、それぞれ異なる電気信号により駆動することもできる。

従来技術に比べて、本発明は、仕切り溝を用いて第１駆動構造を第１圧電駆動部と第２圧電駆動部とに仕切り、第１圧電駆動部と第２圧電駆動部が協働することによって、同一時刻に生成された音圧レベルがより高くなり、それに、仕切り溝の存在により、駆動構造の全体的な剛性を調整し、駆動構造が振動する時に生成された自己制限効果を低減させることができ、スピーカの最大音圧出力を向上させることができる。

本発明の実施例１の断面図である。本発明の実施例１の底面図である。本発明の実施例１の駆動構造の第１接続態様の概略図である。本発明の実施例１の駆動構造の第２接続態様の概略図である。本発明の実施例１の動作状態の概略図１である。本発明の実施例１の動作状態の概略図２である。本発明の実施例１の動作状態の概略図３である。本発明の実施例２の断面図である。

以下、図面を参照して説明する実施例は、例示的なものであり、本発明を説明するためのものに過ぎず、本発明を限定するものではないと解釈されるべきである。

実施例１

図１に示すように、本発明の実施例は、圧電スピーカを提供し、当該圧電スピーカは、基板１０と、支持構造２０と、第１駆動構造３０と、伝動構造４０とを含む。

基板１０内には、キャビティ１１が貫通し、キャビティ１１は、円形溝であり、当然のことながら、矩形溝又は六角形溝又は他の異形溝構造に設けられてもよく、異なる使用シーンで、使用ニースに応じて調整することができ、ここで特に限定されず、いくつかの実施形態では、伝動構造４０の材料としては、フレキシブル基板、金属基板又は非金属基板からいずれか１つを選択して用いることができるがこれらに限定されず、好ましい態様としては、上記フレキシブル基板の材料は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリエチレン（ＰＥ）又はポリイミド（ＰＩ）からいずれか１つを選択して用いることができるが、これらに限定されるものではない。

支持構造２０は、基板１０に設けられかつキャビティ１１を覆い、支持構造２０の形状は、キャビティ１１の形成に適合し、いくつかの実施形態において、支持構造２０の材料としては、ＳＯＩ、ＳｉＮ又は金属などの硬い材料が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

第１駆動構造３０は、支持構造２０に積層され、第１駆動構造３０は、交互に積み重ねて設けられた第１電極層３６及び第１圧電層３８を含み、第１圧電層３８に対応する制御電圧を印加した後、第１圧電層３８が電気エネルギーを機械的エネルギーに変換することにより、第１駆動構造３０が変形して、対応する周波数帯域の音波を発することになり、第１駆動構造３０の全体的な剛性は、十分な面外変位を生成することができないことを防止するために、大きすぎないようにする必要があり、自身がアーチ状反りを生成することを防止するために、小さすぎないようにする必要もあり、具体的な好ましい手段では、第１駆動構造３０の剛性が支持構造２０の剛性以下であることである。

第１電極層３６及び第２圧電層３８に異なる電圧を印加することにより、異なる程度及び方向の変位を生成して、出力される音声を柔軟に調整することができる。当業者であれば分かるように、第１電極層３６及び第１圧電層３８の層数は、いずれも実際の状況に応じて適応的に変更することができ、ここで限定されず、それと同時に絶縁層を設けることもできる。

いくつかの実施形態では、第１圧電層３８の材料としては、ＰＺＴ圧電セラミック、酸化亜鉛、窒化アルミニウム又はマグネシウムニオブ酸鉛－チタン酸鉛ポリフッ化ビニリデンのうちいずれか１つであってもよいが、これらに限定されるものではない。第１電極層３６の材料としては、白金、金、クロム又はアルミニウムのうちいずれか１つであってもよいが、これらに限定されるものではない。

伝動構造４０は、第１駆動構造３０に積層され、伝動構造４０は、平面膜構造であることが好ましく、応力歪みの伝送阻害を回避するために、伝動構造４０の全体的な剛性が小さく設定され、具体的な好ましい手段では、伝動構造４０の全体的な剛性が第１駆動構造３０の全体的な剛性以下であることである。

圧電スピーカは、さらに仕切り溝５０を含み、仕切り溝５０は、キャビティ１１の軸線方向に沿って支持構造２０及び第１駆動構造３０を貫通することにより、第１駆動構造３０を第１圧電駆動部３１と第２圧電駆動部３２とに仕切り、第１圧電駆動部３１及び第２圧電駆動部３２は、駆動制御信号によりともに駆動されて運動することができる。同時に、伝動構造４０の剛性は、第１駆動構造３０の剛性以下であり、第１駆動構造３０の剛性は、支持構造２０の剛性以下である。

上記実施形態により、第１圧電駆動部３１と第２圧電駆動部３２が協働することによって、同一時刻に生成された音圧レベルがより高くなり、同時に仕切り溝５０の存在により、第１駆動構造３０の全体的な剛性を調整し、第１駆動構造３０が振動する時に生成された自己制限効果を低下させることができ、スピーカの最大音圧出力を向上させることができる。

さらに、第１駆動構造３０は、複数の前記第１圧電駆動部３１を含み、隣接する第１圧電駆動部３１同士は、スリット６０により仕切られ、当業者であれば分かるように、第１駆動構造３０は、１つの第１圧電駆動部３１のみが設けられてもよく、この場合、第１圧電駆動部３１全体が環状構造であり、第２圧電駆動部３２が環状構造の中心に設けられている。

図２～図４に示すように、第２圧電駆動部３２は、スピーカ構造の中部に位置し、複数の第１圧電駆動部３１は、環状に間隔を隔てて第２圧電駆動部３２の外側に設けられ、いくつかの実施形態において、６つの第１圧電駆動部３１が設けられており、６つの第１圧電駆動部３１は、第２圧電駆動部３２を中心としてスリット６０により環状に間隔を隔てて設けられ、第１圧電駆動部３１と第２圧電駆動部３２との間は、仕切り溝５０により隔てられ、仕切り溝５０は、環状溝であり、当業者であれば分かるように、第１圧電駆動部３１の数及び位置は、実際の状況に応じて適応的に変更することができ、ここで限定されないものとする。

好ましくは、圧電スピーカは、選択的に第１圧電駆動部３１又は第２圧電駆動部３２のみに通電可能であり、第１圧電駆動部３１と第２圧電駆動部３２が仕切り溝５０により隔てられるため、第１圧電駆動部３１と第２圧電駆動部３２は、電気信号によりともに駆動するか又は単独で駆動することができる。いくつかの実施形態では、圧電スピーカの第１共振周波数ｆ_０の前に、電気信号により第１圧電駆動部３１と第２圧電駆動部３２をともに運動させ、音圧レベルの高い音波を発し、当該音波の周波数範囲は２０Ｈｚ～ｆ_０である。当業者であれば分かるように、圧電スピーカの第１共振周波数は、圧電スピーカ自体の構造に関連し、ここで所定値ｆ_０で定められる。

周波数範囲がｆ_０～２０ｋＨｚ内にある場合、電気信号により第１圧電駆動部３１又は第２圧電駆動部３２を単独に駆動することによって、スピーカは、周波数範囲がｆ_０～２０ｋＨｚの音波を発することができる。ｆ_０よりも外側において第１圧電駆動部３１又は第２圧電駆動部３２を単独で励起する利点は、共振周波数での音圧レベルＳＰＬが効果的に低減され、その共振周波数の１／２、１／３、１／４、…に対応するＴＨＤが低減されることである。

さらに、図３及び図４に示すように、第２圧電駆動部３２は、連結梁３３により第１圧電駆動部３１又は基板１０に接続され、連結梁３３の構造の目的は、回路が通過しやすくなることにある。

いくつかの実施形態において、第１圧電駆動部３１は、第１電気信号により制御され、第２圧電駆動部３２は、第２電気信号により制御され、第１電気信号と第２電気信号は、振幅値の大きさが等しいが、正負が逆であり、かつ、位相が一致することが好ましい。他の実施形態において、第１電気信号と第２電気信号とは、振幅値の大きさが等しく正負が一致するが、位相差がｎπ異なる。

いくつかの実施形態において、第１圧電駆動部３１と前記第２圧電駆動部３２は、いずれも同一の電気信号により駆動される。

第１圧電層３８の材料が窒化アルミニウムであると、第１圧電駆動部３１の第１電極が正の交流電圧（例えば、ＡＣ＝Ａｓｉｎ（２πｆｔ）、Ａは振幅値であり、Ａ＞０であり、ｆは周波数である）に接続されてもよく、第２電極が接地されてもよく、第２圧電駆動部３２の第１電極が接地されてもよく、第２電極が正の交流電圧に接続されてもよく、電圧がＡＣ＝Ａｓｉｎ（２πｆｔ）である。

第１圧電層３８の材料がＰＺＴであると、第１圧電駆動部３１の第１電極が正の交流電圧及び正の直流電圧（例えば、ＡＣ＋ＤＣ）に接続されてもよく、第２電極が接地されてもよく、第２圧電駆動部３２の第１電極が接地されてもよく、第２電極がＡＣ＋ＤＣに接続されてもよく、一部の構造は図３に示す通りであり、第２圧電駆動部３２を制御する電気信号は、第２圧電駆動部３２と基板１０の連結梁３３により配線することができる。

ＯＲ回路は、元の信号により送信され、変換装置により一部を保留する。例えば、ＡＣ＝Ａｓｉｎ（２πｆｔ）であり、他の一部の電信号は、初期位相と１８０°異なり、例えば、ＡＣ＝Ａｓｉｎ（２πｆｔ＋ｎπ）、ｎ＝１，２，３，…、一部の構造は図４に示す通りであり、第２圧電駆動部３２を制御する電気信号は、第２圧電駆動部３２と第１圧電駆動部３１の連結梁３３により配線することができ、かつ、第１圧電駆動部３１における電極配線と第２圧電駆動部３２における配線とは、電気的に分離される。

いくつかの実施形態において、第１圧電駆動部３１と第２圧電駆動部３２は、いずれも同一の電気信号により駆動され、第１圧電駆動部３１の正極（又は負極）と第２圧電駆動部３２の正極（又は負極）は、構造の最外周で電気的に接続される。

図５～図７に示すように、第１圧電駆動部３１は、一端が基板１０に接続され、クランプ状態にあり、他端が相対的に自由である。第１圧電駆動部３１（第１電極層３６を省略する）が圧電スピーカの振動発音方向に平行な電界作用を受ける場合、圧電効果により、面内に伸縮運動が発生し、第１駆動構造３０と支持構造２０及び伝動構造４０との剛性が一致せず、かつ三者の関係は、伝動構造４０の剛性が第１駆動構造３０の剛性以下であり、第１駆動構造３０の剛性が支持構造２０の剛性以下であり、伝動構造４０に隣接する第１圧電駆動部３１の上面は、支持構造２０に隣接する下面よりも伸縮程度がより大きく、伝動構造４０の第１圧電駆動部３１に隣接する面は第１面であり、支持構造２０の第１圧電駆動部３１に隣接する面は第２面であり、第２面は、剛性がより大きい支持構造２０の拘束作用により、伸縮程度が上面よりも小さく、伝動構造４０の剛性は、第１駆動構造３０の剛性以下であり、第１面の伸縮は、第２面よりも自由である。したがって、第１面と第２面の伸縮程度が一致せず、デバイス全体に面外の反り変位が発生する。

第２圧電駆動部３２の両端は、基板１０に支持されず、いずれも相対的に自由な状態にあり、相対的に自由に伸縮することができ、同様に圧電スピーカの振動発音方向に平行な電界の作用を受ける場合、第１面と第２面の伸縮程度が一致せず、第２圧電駆動部３２の縁部領域と中心領域の面外への反りも一致せず（発生可能な状況は、凹又は凸又は平である）、第１圧電駆動部３１とともに作用することによって、デバイス全体の反り高さをさらに向上させることができ、即ち、圧電スピーカの音圧レベルをさらに向上させることができる。

実施例２

本実施例が実施例１と相違する点は、圧電スピーカは、第１駆動構造３０に積み重ねて設けられた第２駆動構造３４をさらに含み、第２駆動構造３４は、第３圧電駆動部３５を含み、第２駆動構造３４は、伝動構造４０の第１駆動構造３０に近接する側に嵌設され、第２駆動構造３４の剛性は、伝動構造４０の剛性以上であり、支持構造２０の剛性は、第２駆動構造３４の剛性以上であり、具体的には、図８に示すように、前記伝動構造４０に隣接するのは、第３圧電駆動部３５であり、前記支持構造２０に隣接するのは、第１圧電駆動部３１及び第２圧電駆動部３２であるということにある。好ましくは、第２圧電駆動部３２は、電気信号により駆動されなくてもよい。第３圧電駆動部３５の構造は、第１圧電駆動部３１と同じであり、第３圧電駆動部３５の電界方向は、第１圧電駆動部３１の電界方向と逆であり、第３圧電駆動部３５と第１圧電駆動部３１は、同一の電気信号により駆動されてもよく、異なる電気信号により駆動されてもよく、仕切り溝５０の伝動構造４０における正投影は、第３圧電駆動部３５に位置する。

実施例１において、縁部から中心方向へ延在する第１圧電駆動部３１の長さ、仕切り溝５０の寸法及び第２圧電駆動部３２の長さの和は、チップの総寸法に等しい。

実施例２において、利点は、第１圧電駆動部３１の長さ、仕切り溝５０の寸法及び第３圧電駆動部３５の長さの和がチップの総寸法よりも大きくてもよいことである。明らかなように、第３圧電駆動部３５の長さが長くなると、チップ全体の面外への振動の平均高さが大きくなり、チップの性能をさらに向上させることができる。

以上、図面に示された実施例に基づいて本発明の構造、特徴及び作用効果を詳細に説明し、上述したのは、本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明は図面に示された実施範囲を限定するものではなく、本発明の構想に基づいて行われた変更、又は同等変化の等価実施例に修正することは、明細書及び図示に含まれた精神を逸脱しない場合、いずれも本発明の保護範囲内に含まれるべきである。

１０…基板、１１…キャビティ
２０…支持構造
３０…第１駆動構造、３１…第１圧電駆動部、３２…第２圧電駆動部、３３…連結梁、３４…第２駆動構造、３５…第３圧電駆動部、３６…第１電極層、３７…第２電極層、３８…第１圧電層、３９…第２圧電層
４０…伝動構造
５０…仕切り溝
６０…スリット

Claims

圧電スピーカであって、
基板と、支持構造と、第１駆動構造と、伝動構造とを含み、
前記基板には、キャビティが穿設されており、
前記支持構造は、前記基板に設けられかつ前記キャビティを覆い、
前記第１駆動構造は、前記支持構造に積層され、前記第１駆動構造は、交互に積み重ねて設けられた第１電極層及び第１圧電層を含み、
前記伝動構造は、前記第１駆動構造に積層されており、
前記圧電スピーカは、さらに仕切り溝を含み、前記仕切り溝は、前記支持構造及び前記第１駆動構造を貫通することにより、前記第１駆動構造を第１圧電駆動部と第２圧電駆動部とに仕切り、前記伝動構造の剛性は、前記第１駆動構造の剛性以下であり、前記第１駆動構造の剛性は、前記支持構造の剛性以下であり、
前記第２圧電駆動部は、連結梁により前記第１圧電駆動部又は前記基板に接続されている、ことを特徴とする圧電スピーカ。
前記圧電スピーカは、前記支持構造と前記第１駆動構造とを貫通するスリットをさらに含み、前記第１駆動構造は、複数の前記第１圧電駆動部を含み、隣接する前記第１圧電駆動部同士は、前記スリットにより仕切られる、ことを特徴とする請求項１に記載の圧電スピーカ。
複数の前記第１圧電駆動部は、前記スリットにより環状に間隔を隔てて前記第２圧電駆動部の外側に設けられている、ことを特徴とする請求項２に記載の圧電スピーカ。
前記第１圧電駆動部は、第１電気信号により制御され、前記第２圧電駆動部は、第２電気信号により制御される、ことを特徴とする請求項１に記載の圧電スピーカ。
前記第１電気信号と前記第２電気信号とは、位相差が等しく、振幅値の大きさが等しいが、当該振幅値の正負が逆である、ことを特徴とする請求項４に記載の圧電スピーカ。
前記第１電気信号と前記第２電気信号とは、振幅値の大きさが等しく且つ当該振幅値の正負が一致するが、位相がｎπ異なる、ことを特徴とする請求項４に記載の圧電スピーカ。
前記第１電気信号又は前記第２電気信号は、ゼロである、ことを特徴とする請求項４に記載の圧電スピーカ。
前記第１圧電駆動部と前記第２圧電駆動部は、いずれも同一の電気信号により駆動される、ことを特徴とする請求項１に記載の圧電スピーカ。
圧電スピーカであって、
基板と、支持構造と、第１駆動構造と、伝動構造とを含み、
前記基板には、キャビティが穿設されており、
前記支持構造は、前記基板に設けられかつ前記キャビティを覆い、
前記第１駆動構造は、前記支持構造に積層され、前記第１駆動構造は、交互に積み重ねて設けられた第１電極層及び第１圧電層を含み、
前記伝動構造は、前記第１駆動構造に積層されており、
前記圧電スピーカは、さらに仕切り溝を含み、前記仕切り溝は、前記支持構造及び前記第１駆動構造を貫通することにより、前記第１駆動構造を第１圧電駆動部と第２圧電駆動部とに仕切り、前記伝動構造の剛性は、前記第１駆動構造の剛性以下であり、前記第１駆動構造の剛性は、前記支持構造の剛性以下であり、
前記圧電スピーカは、前記第１駆動構造に積み重ねて設けられた第２駆動構造をさらに含み、前記第２駆動構造は、前記伝動構造の前記第１駆動構造に近接する側に嵌設され、前記第２駆動構造の剛性は、前記伝動構造の剛性以上であり、前記支持構造の剛性は、前記第２駆動構造の剛性以上であり、前記第２駆動構造は、交互に積み重ねて設けられた第２電極層及び第２圧電層を含み、前記仕切り溝の前記伝動構造における正投影は、前記第２駆動構造に位置する、ことを特徴とする圧電スピーカ。
前記第２駆動構造と前記第１駆動構造は、いずれも同一の電気信号により駆動することができ、それぞれ異なる電気信号により駆動することもできる、ことを特徴とする請求項９に記載の圧電スピーカ。