TWI531250B - 平板揚聲器 - Google Patents

Description

平板揚聲器

本發明涉及一種平板揚聲器，尤其涉及一種壓電式平板揚聲器。

壓電平板揚聲器之工作原理係基於某些壓電材料之逆壓電效應。即，當對壓電材料施加一交變電場，該壓電材料便相應發生機械變形，從而推動周圍空氣振動發聲。

先前技術中之壓電平板揚聲器之基本結構一般包括壓電元件及與該壓電元件電連接並間隔設置之第一電極和第二電極。為保證該壓電揚聲器在工作過程中第一電極和第二電極與壓電元件具有良好之電連接性能，一般採用印刷工藝在所述壓電元件上製備金屬膜作為第一及第二電極。然在壓電平板揚聲器工作之過程中，壓電元件會發生機械變形，而由金屬材料製成之電極抗疲勞性能較差，故在工作過程中容易受到壓電元件之振動影響而發生疲勞斷裂。

另，先前技術中之壓電平板揚聲器也採用具有導電特性之銦錫氧化物(Indium Tin Oxide,ITO)層(下稱ITO層)作為壓電平板揚聲器之電極，從而製備透明的壓電平板揚聲器。然，用ITO作為電極也存在不耐彎折，抗疲勞性能較差，容易受壓電元件之振動影響而發生疲勞斷裂之缺點，同時，ITO層需要在高溫真空之環境下沈積在壓電元件之表面上，由於壓電元件本身不耐高溫，故該 ITO電極之形成過程容易導致壓電元件之壓電性能下降。

2007年4月12日公開之US20070081681A1號美國專利申請揭示一種壓電平板揚聲器，該壓電平板揚聲器採用奈米碳管膜作為電極，該壓電平板揚聲器之形成方式為將含有奈米碳管之溶液通過塗敷之方式形成於壓電元件之兩個表面，之後再在50℃~70℃之條件下將溶劑蒸發掉，該奈米碳管膜不需要在高溫條件下與壓電元件結合，故其製備過程不會影響壓電元件之壓電性能。然，通過上述方法形成之奈米碳管膜中，奈米碳管為無序排列，不利於發揮奈米碳管優異之縱向導電性，故影響了整個壓電平板揚聲器之响應速度。

有鑒於此，提供一種具有較快响應速度之平板揚聲器實為必要。

一種平板揚聲器，該平板揚聲器包括：一壓電元件，該壓電元件包括一第一表面和與該第一表面相對之一第二表面；一第一電極，該第一電極與所述壓電元件電連接且設置於其第一表面；一第二電極，該第二電極與所述壓電元件電連接且設置於所述壓電元件之第二表面；其中，所述第一電極和第二電極均為一奈米碳管結構，該奈米碳管結構包括複數個基本沿同一個方向排列之奈米碳管。

一種平板揚聲器，該平板揚聲器包括：一壓電元件，該壓電元件包括一第一表面和與該第一表面相對之一第二表面；一第一電極，該第一電極與所述壓電元件電連接且設置於其第一表面；一第二電極，該第二電極與所述壓電元件電連接且設置於所述壓電元件之第二表面；一振膜，所述振膜設置於所述第一電極或第二電 極之表面；其中，所述第一電極和第二電極為一奈米碳管結構，該奈米碳管結構包括複數個基本沿同一個方向排列之奈米碳管。

相較於先前技術，本發明所提供之平板揚聲器具有以下優點：所述平板揚聲器採用奈米碳管結構作為第一電極和第二電極，且該奈米碳管結構包括複數個基本沿同一方向排列之奈米碳管，其導電性較好，故整個平板揚聲器具有較好之靈敏度和穩定性。

10，20‧‧‧平板揚聲器

111，145‧‧‧奈米碳管

112‧‧‧導電金屬層

1121‧‧‧浸潤層

1122‧‧‧導電層

12，22‧‧‧第一電極

14，24‧‧‧第二電極

143‧‧‧奈米碳管片段

16，26‧‧‧壓電元件

162，262‧‧‧第一表面

164，264‧‧‧第二表面

18，28‧‧‧音頻訊號輸入裝置

29‧‧‧振膜

圖1係本發明第一實施例提供之平板揚聲器結構示意圖。

圖2係本發明第一實施例提供之奈米碳管拉膜結構示意圖。

圖3係本發明第一實施例奈米碳管拉膜之掃描電鏡照片。

圖4係本發明第一實施例包覆有導電金屬層之奈米碳管結構示意圖。

圖5係本發明第一實施例包覆有導電金屬層之奈米碳管透射電鏡照片。

圖6係本發明第二實施例提供之平板揚聲器結構示意圖。

以下將結合附圖詳細說明本發明實施例之平板揚聲器。

請參閱圖1，本發明第一實施例提供一種平板揚聲器10，該平板揚聲器10包括：一壓電元件16，該壓電元件16包括一第一表面162和與該第一表面162相對之一第二表面164；一第一電極12，該第一電極12與所述壓電元件16電連接且設置於其第一表面162；一第二電極14，該第二電極14與所述壓電元件16電連接且設置 於其第二表面164。

所述壓電元件16為壓電晶體、壓電陶瓷、壓電半導體或高分子壓電材料。所述壓電晶體之材料可為鈮酸鋰(LiNbO₃)、鉭酸鋰(LiTaO₃)、鍺酸鋰(LiGeO₃)、鎵酸鋰(LiGaO₃)或鍺酸鉍(Bi₁₂GeO₂₀)等，所述壓電陶瓷之材料可為鈦酸鋇(BaTiO₃)，鋯鈦酸鉛，鈮酸鹽系壓電陶瓷或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等，所述壓電半導體之材料可為硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CdTe)、氧化鋅(ZnO)、硫化鎘(CdS)、碲化鋅(ZnTe)或砷化鎵(GaAs)等，所述高分子壓電材料可為聚二氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、聚氯乙烯(PVC)等。該壓電元件16之厚度不限，可根據實際需要而定。

所述第一電極12和第二電極14均為奈米碳管結構，該奈米碳管結構包括複數個基本沿同一個方向排列之奈米碳管，且該奈米碳管結構中之奈米碳管均勻分佈。此外，所述第一電極12之複數個奈米碳管基本平行於所述壓電元件16之第一表面，所述第二電極14之複數個奈米碳管基本平行於所述壓電元件16之第二表面。且所述奈米碳管包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中之一種或多種。所述單壁奈米碳管之直徑為0.5奈米~10奈米，雙壁奈米碳管之直徑為1.0奈米~15奈米，多壁奈米碳管之直徑為1.5奈米~50奈米。

所述奈米碳管結構為一自支撐結構。所謂自支撐結構係指該奈米碳管結構無需通過一支撐體支撐，也能保持自身特定之形狀。該自支撐結構包括複數個奈米碳管，該複數個奈米碳管通過凡德瓦爾力相互吸引，從而使奈米碳管結構具有特定之形狀。具體地， 所述奈米碳管結構包括奈米碳管膜。

所述奈米碳管膜可為奈米碳管拉膜、帶狀奈米碳管膜或長奈米碳管膜。

所述奈米碳管拉膜通過拉取一奈米碳管陣列直接獲得，優選為通過拉取一超順排奈米碳管陣列直接獲得。該奈米碳管拉膜中包括大量奈米碳管首尾相連地沿同一個方向擇優取向排列，請參閱圖2及圖3，具體地，每一奈米碳管拉膜包括複數個連續且定向排列之奈米碳管片段143，該複數個奈米碳管片段143通過凡德瓦爾力首尾相連，每一奈米碳管片段143包括複數個大致相互平行之奈米碳管145，該複數個相互平行之奈米碳管145通過凡德瓦爾力緊密結合。該奈米碳管片段143具有任意之寬度、厚度、均勻性及形狀。所述奈米碳管拉膜之厚度為0.5奈米~100微米。所述奈米碳管拉膜結構及其制備方法請參見范守善等人於2008年8月16日公開之第200833862號台灣公開專利申請。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露之一部分。

所述帶狀奈米碳管膜為通過將一狹長之奈米碳管陣列沿垂直於奈米碳管陣列長度方向傾倒在一基底表面而獲得。該帶狀奈米碳管膜包括複數個擇優取向排列之奈米碳管。所述複數個奈米碳管之間互相平行併排排列，且通過凡德瓦爾力緊密結合，該複數個奈米碳管具有大致相等之長度，且其長度可達到毫米量級。所述帶狀奈米碳管膜之寬度與奈米碳管之長度相等，故該帶狀奈米碳管陣列中至少有一個奈米碳管從帶狀奈米碳管膜之一端延伸至另一端，從而跨越整個帶狀奈米碳管膜。該帶狀奈米碳管膜之寬度受 奈米碳管之長度限制，優選地，該奈米碳管之長度為1毫米~10毫米。所述帶狀奈米碳管膜的結構及其製備方法請參見范守善等人於2008年6月13日申請的第97122118號台灣專利申請。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露之一部分。

所述長奈米碳管膜為通過放風箏法獲得，具體為使生長於一基底之上之複數個超長奈米碳管在碳源氣流之作用下漂浮於一接收基底之上，之後停止通入碳源氣，從而在接收基底之上形成所述長奈米碳管膜。該長奈米碳管膜包括複數個平行於奈米碳管膜表面之超長奈米碳管，且該複數個奈米碳管彼此基本平行排列。所述複數個超長奈米碳管之長度可大於10厘米。所述奈米碳管膜中相鄰兩個超長奈米碳管之間之距離小於5微米，相鄰兩個超長奈米碳管之間通過凡德瓦爾力緊密連接。所述長奈米碳管膜的結構及其製備方法請參見范守善等人於2008年2月29日申請的第97107078號台灣專利申請。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露之一部分。

當所述奈米碳管結構包括上述複數個奈米碳管膜時，該複數個奈米碳管膜可共面且無間隙鋪設或/和層疊鋪設，從而製備不同面積與厚度之奈米碳管結構。在由複數個相互層疊之奈米碳管膜組成之奈米碳管結構中，相鄰兩個奈米碳管膜中之奈米碳管之排列方向相同或不同，優選為奈米碳管之排列方向相同。

上述奈米碳管結構之厚度可在保證強度之同時根據需要選擇，優選地，該奈米碳管結構之厚度為0.5奈米~1毫米。當上述奈米碳管結構具有較小之厚度，如0.5奈米~99奈米時，該奈米碳管結構 具有較好之透明度，其光透過率可達到86%~95%。另，由於上述奈米碳管結構中奈米碳管通過凡德瓦爾力相互吸引形成一自支撐結構，故該自支撐之奈米碳管結構整體具有較大之強度。同時由於奈米碳管之縱向導電性好，且本實施例奈米碳管結構中之複數個奈米碳管基本沿同一個方向排列，故該奈米碳管結構具有較高之均勻性，且由該奈米碳管結構形成之第一電極12和第二電極14具有良好之導電性，從而使得所述平板揚聲器10具有較高之穩定性和靈敏度。

所述奈米碳管結構分別通過導電粘結劑粘結於所述壓電元件16之第一表面162和第二表面164。該奈米碳管結構中之複數個奈米碳管基本平行於該壓電元件16之第一表面162和第二表面164。由於該奈米碳管結構在垂直於奈米碳管長度方向具有較強之光透過性，相較於具有相同厚度且由無序排列之奈米碳管組成之奈米碳管層，該奈米碳管結構具有較好之透明度；另，由於奈米碳管自身具有較好之柔性和耐彎折性，同時所述奈米碳管結構中之複數個奈米碳管基本沿同一方向平行排列，且相鄰之奈米碳管通過凡德瓦爾力首尾相連，從而使該奈米碳管結構整體也具有較好之柔性和耐彎折性能。故根據實際需要可形成一透明、耐彎折且具有較好靈敏度和穩定性之平板揚聲器10。此外，該奈米碳管結構無需在高溫條件下製備，也無需借助複雜之設備，故其製備工藝簡單，適合工業化生產。

請參閱圖4及圖5，進一步地，該奈米碳管結構中之奈米碳管111表面可包覆至少一導電金屬層112。該至少一導電金屬層112之材料可包括鐵、鈷、鎳、鈀、鈦、銅、銀、金及鉑中之一種或多種 。該至少一導電金屬層112之厚度可為1奈米~100奈米，優選為小於20奈米。本實施例中，該至少一導電金屬層112從內至外依次包括一與奈米碳管潤濕性良好之浸潤層1121及一電導率較高之導電層1122，該浸潤層1121及導電層1122依次包覆於奈米碳管111之表面，所述浸潤層1121為鎳層，所述導電層1122為金層，該鎳層之厚度約為2奈米，該金層之厚度約為15奈米。可以理解，該至少一導電金屬層112還可進一步包括一過渡層(圖未示)及一抗氧化層(圖未示)，所述過渡層設置於所述浸潤層1121及導電層1122之間且均與所述浸潤層1121及導電層1122具有良好之結合，所述抗氧化層包覆於該導電層1122表面且抗氧化性能較高。

上述至少一導電金屬層112可採用蒸鍍法、濺射法、沈積法、電鍍法或化學鍍法形成於奈米碳管結構中之奈米碳管111表面。具體地，當該奈米碳管結構包括多層重疊設置之奈米碳管膜時，可先分別給每個奈米碳管膜之奈米碳管111表面蒸鍍導電金屬層112，形成複數個奈米碳管複合膜，再將該複數個奈米碳管複合膜相互重疊設置，該奈米碳管複合膜之具體製備方法請參見范守善等人於2008年3月7日申請之第97108084號台灣專利申請。表1為奈米碳管結構為單層奈米碳管拉膜時，在奈米碳管111之表面形成不同導電金屬層112前後之方塊電阻對比，可發現，通過在奈米碳管結構中之奈米碳管111表面形成一導電金屬層112可使所述第一電極12和第二電極14之電阻變小，從而提高了該第一電極12和第二電極14之導電性。

利用逆壓電效應原理，當一音頻訊號輸入裝置18將一音頻訊號通過所述第一電極12和第二電極14輸入所述壓電元件16時，所述壓電元件16會發生彈性變形。本實施例中，由於設置於該壓電元件16表面之第一電極12和第二電極14由具有柔性之奈米碳管組成，故該壓電元件16之彈性變性會使所述第一電極12和第二電極14相應地發生振動，從而推動周圍空氣發生振動並引起發聲。

請參閱圖6，本發明第二實施例提供一種平板揚聲器20，該平板揚聲器20包括一壓電元件26，該壓電元件26包括一第一表面262和與該第一表面262相對之一第二表面264；一第一電極22，該第一電極22與所述壓電元件26電連接且設置於其第一表面262；一第二電極24，該第二電極24與所述壓電元件26電連接且設置於其第二表面264。

本實施例與上述第一實施例基本相同，其區別在於，該平板揚聲器20進一步包括一振膜29，所述振膜29可通過普通粘結劑粘結於所述第一電極22或第二電極24之表面。

所述振膜29之材料可選擇先前技術中傳統揚聲器所採用之傳統振膜材料，如樹脂、紙或金屬材料等。同時，該振膜29之厚度不 限，只需確保所述壓電元件26之振動可驅動該振膜29同時發生振動，並推動周圍空氣振動發聲即可。

該平板揚聲器20之具體工作過程為，採用一音頻訊號輸入裝置28將一音頻訊號通過所述第一電極22和第二電極24輸入所述壓電元件26，從而使該壓電元件26由於逆壓電效應而振動，該壓電元件26之振動相應地驅動所述振膜29發生振動，從而推動周圍空氣振動發聲。

該平板揚聲器20之振膜29之振動無需採用傳統揚聲器之磁性系統和音圈等複雜之結構便可振動發聲。

本發明之平板揚聲器具有以下優點：所述平板揚聲器採用奈米碳管結構作為第一電極和第二電極，且該奈米碳管結構包括複數個基本沿同一個方向排列之奈米碳管，由於奈米碳管之縱向導電性好，故本發明之第一電極和第二電極具有良好之導電性，從而使整個平板揚聲器具有較高之靈敏度和穩定性；此外由於本發明之奈米碳管結構具有一自支撐結構，故所述第一電極和第二電極強度較高，從而延長了整個平板揚聲器之使用壽命；由於奈米碳管結構中在垂直於奈米碳管長度方向具有較強之光透過性，故，該奈米碳管結構具有較好之透明度；本發明通過在奈米碳管結構之表面形成一導電金屬層，可更進一步提高該平板揚聲器第一電極和第二電極之導電性能。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

10‧‧‧平板揚聲器

12‧‧‧第一電極

14‧‧‧第二電極

16‧‧‧壓電元件

162‧‧‧第一表面

164‧‧‧第二表面

Claims (17)

1. 一種平板揚聲器，該平板揚聲器包括：一壓電元件，該壓電元件包括一第一表面和與該第一表面相對之一第二表面；一第一電極，該第一電極與所述壓電元件電連接且設置於其第一表面；一第二電極，該第二電極與所述壓電元件電連接且設置於其第二表面；其改良在於，所述第一電極和第二電極均包括一奈米碳管結構，該奈米碳管結構包括複數個基本沿同一個方向排列之奈米碳管，所述奈米碳管之表面進一步包覆有至少一導電金屬層。
2. 如請求項第1項所述之平板揚聲器，其中，所述第一電極之複數個奈米碳管基本平行於所述壓電元件之第一表面。
3. 如請求項第1項所述之平板揚聲器，其中，所述第二電極之複數個奈米碳管基本平行於所述壓電元件之第二表面。
4. 如請求項第1項所述之平板揚聲器，其中，所述奈米碳管結構包括至少一奈米碳管膜。
5. 如請求項第4項所述之平板揚聲器，其中，所述奈米碳管膜包括複數個通過凡德瓦爾力首尾相連且沿同一方向排列之奈米碳管。
6. 如請求項第4項所述之平板揚聲器，其中，所述奈米碳管膜包括複數個大致平行排列之奈米碳管。
7. 如請求項第4項所述之平板揚聲器，其中，所述奈米碳管結構包括複數個奈米碳管膜，該複數個奈米碳管膜共面且無間隙鋪設或層疊鋪設。
8. 如請求項第1項所述之平板揚聲器，其中，所述奈米碳管結構為一自支撐結構。
9. 如請求項第1項所述之平板揚聲器，其中，所述奈米碳管包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中之一種或多種。
10. 如請求項第1項所述之平板揚聲器，其中，所述至少一導電金屬層包括一浸潤層及一導電層，該浸潤層及導電層依次包覆於所述奈米碳管之表面。
11. 如請求項第10項所述之平板揚聲器，其中，所述導電金屬層之材料包括鎳、鈀、鈦、銅、銀、金、鉑或其任意組合之合金。
12. 如請求項第10項所述之平板揚聲器，其中，所述導電金屬層之厚度為1奈米~100奈米。
13. 如請求項第10項所述之平板揚聲器，其中，所述第一電極和第二電極分別採用導電粘結劑粘結於所述壓電元件之第一表面和第二表面。
14. 如請求項第1項所述之平板揚聲器，其中，所述壓電元件之材料為聚二氟乙烯、聚氟乙烯或聚氯乙烯。
15. 一種平板揚聲器，該平板揚聲器包括：一壓電元件，該壓電元件包括一第一表面和與該第一表面相對之一第二表面；一第一電極，該第一電極與所述壓電元件電連接且設置於其第一表面；一第二電極，該第二電極與所述壓電元件電連接且設置於所述壓電元件之第二表面；一振膜，所述振膜設置於所述第一電極或第二電極之表面；其改良在於，所述第一電極和第二電極為一奈米碳管結構，該奈米碳管結構包括複數個基本沿同一個方向排列之奈米碳管，所述奈米碳管之表面進一步包覆有至少一導電金屬層。
16. 如請求項第15項所述之平板揚聲器，其中，所述振膜採用粘結劑與所述第一電極或第二電極粘結。
17. 如請求項第15項所述之平板揚聲器，其中，所述振膜之材料為樹脂、紙或金屬。