声音产生装置的制作方法
专利名称：声音产生装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种声音产生装置，特别是涉及一种压电扬声器。
背景技术：
近年来电子产品已有延续的发展，轻薄短小、可携带及小型装置的设计
概念被使用，就此点来说，可挠性电子技术(flexible electronic technology)逐 渐地被广泛应用，例如被应用于薄型显示器、液晶显示器、柔性电路以及可 挠性太阳能电池(flexible solar cell),可挠性电子的应用，例如可挠式扬声器 (flexible speaker),具有小型化、重量轻以及成本低廉的好处。
扬声器通过转换电信号以产生声音，即，将声音信号源转换成机械动作， 动圈式扬声器(moving-coilspeaker)为目前使用最广泛的运用，可由锥体的往 复运动产生声音，该锥体属于被悬挂于磁场中或是可移动地与磁场耦接的线 圈。流经线圈的电流会引起变化磁场(vaiying magnetic field)环绕于线圈周围， 二个磁场的互相影响会导致线圏的相对运动，因此移动锥体进行往复运动， 而对空气加压或减压，故会产生声波。由于结构的限制，动圈式扬声器较不 易被制成柔性态样或小型化。
柔性压电扬声器，可由柔性聚合物材料制成，如聚偏二氟乙烯 (piezoelectric polyvinylidene fluoride)及其4汙生4勿，由于具有压电J丈应 (piezoelectric effect),因此这样的柔性聚合物适合被用作扬声器。
美国专利公告第4638207号披露一种具有压电聚合膜的气球式(balloon) 压电扬声器，此专利主要是使用气球压力提供压电聚合膜张力，此外，可通 过气球的压力调整扬声器的共振频率。美国专利第6504289案披露一种压电 换能器(piezoelectric transducer)以传递声音能量，压电换能器被硬式壳体环 绕，因此难以制成柔性扬声器。美国专利第6349141案披露一种具有气球结 构的柔性声音换能器(flexible audio transducer),气球结构在强度上以及共振 频率的设计上会有较多的隐忧。美国专利第6717337案披露一种声音致动器 (acoustic actuator),包括压电驱动件，该压电驱动件以铌锌锆钬酸铅(PZT)或铌锌锆钛酸铅(PZT)的衍生物中的压电陶资材料所制作，通过压电驱动件的 径向收缩与扩张，声音振膜做振动以产生声波，不过压电陶乾容易受撞击而 碎裂。
发明内容
本发明的实施例提供一种声音产生装置，包括具有至少一电极、第二 电极以及第一压电层的第一壳式结构；与第一壳式结构的第一电极耦接的声 音信号输出的第一端点；与第一壳式结构的第二电极耦接的声音信号输出的 第二端点；具有第一电极以及第一压电层的第二壳式结构；以及耦接于第一 壳式结构以及第二壳式结构之间的第一可挠结构。第二壳式结构的第一电极 与声音信号输出的第一端点耦接，第一壳式结构的第一压电层以及第二壳式 结构的第一压电层被装配以对由声音信号输出的信号产生响应，并且产生声 波。
本发明的另一实施例中，柔性压电扬声器包括具有可挠结构的至少二 壳式结构以及具有至少一电极与至少一压电层的薄膜，这些壳式结构具有柔 性层，柔性层具有弯曲刚性以作为部份壳式结构，电极与声音信号输出的端 点耦接，压电层被装配以对由声音信号输出的信号产生响应，并且产生声波。
为了让本发明能更明显易懂，下文特别举出实施例，并配合附图，作详 细i兌明^口下。
图1为侧视剖面示意图，用于表示本发明实施例的软式压电扬声器的剖 面结构；
图2为详细侧视剖面示意图，表示本发明柔性扬声器的实施例的剖面结构。
图3为侧视剖面示意图，表示本发明柔性扬声器的实施例的剖面结构。 图4为侧视剖面示意图，表示本发明柔性扬声器的实施例的剖面结构。 图5为俯视示意图，表示本发明柔性扬声器的实施例的俯视结构。 图6为俯视示意图，表示本发明柔性扬声器的实施例的俯视结构。 图7为侧视剖面示意图，分别用以表示本发图8为侧视剖面示意图，分别用以表示本发明的压电振膜实施例的剖面 结构。
附图标记说明 3:压电层 30:压电材料
31、 31a、 31b、 351、 362:第一电极
32、 32a、 32b、 352、 363:第二电极 35、 36:压电振膜
350、 360、 361:压电层
364:第三电极
4:柔性层
40:壳式结构
40a、 400a:第一壳式结构
40b、 400b:第二壳式结构
41:可挠结构
41a、 410a:第一可挠结构
41b、 410b:第二可挠结构
42、 420:单体
45:背板
46:空腔结构
47、 50a、 50b:空腔
51a、 51b:音孔
100、 100a、 100b、 100c:驱动电^各
101、 102、 103c、 104c、 105c:端点 101b、 103:第一端点
102b、 104:第二端点 105:第三端点
具体实施例方式
图1为本发明实施例的柔性压电扬声器示意图。图1中的柔性压电扬声 器可包括多个壳式结构40、多个可挠结构41、背板45以及具有端点101、102的驱动电路100。壳式结构40与背板45相接，使空腔结构46成形于壳 式结构40与背板45之间。壳式结构40以及背板45可通过具有位于可挠结 构41的部位以及背板45的部位的黏着层被连接。可挠结构41亦可通过超 声波压合、加热压合、真空加热压缩、机械压合或巻绕压合等方式相连接。
图2显示壳式结构40以及可挠结构41的细部结构。壳式结构40与可 挠结构41可使用加压、热压成型、真空成型、射出成型或巻绕(roll to roll) 成型等方式制造，壳式结构40可为圆弧形、矩形或多边形等结构，由图1 中可看出，壳式结构40可与背板45形成空腔结构46，壳式结构40的刚性 足以形成壳式结构，而具有弯曲刚性的可挠结构41可被提供于背板45上。
壳式结构40以及可挠结构41可包括柔性层4以及压电层3，柔性层4 通过工艺方式被设于压电层3上，例如超声波压合、热压合、机械压合、黏 胶接合或巻绕压合(rolltoroll)式压合等方式，柔性层4可为透明材料，亦可 由可塑性塑料材料、复合纤维材料或是金属薄板所制成，柔性层4的厚度在 10-10000微米之间，且柔性层4可提供不同的厚度给可挠结构41以及壳式 结构40。另外，柔性层4亦可利用热压成型、射出成型、加压或巻绕式成型 等方式形成。而压电层3包含有第一电极31、第二电极32以及夹于第一电 极31与第二电极32之间的压电材料30，压电材料30可为透明材料，包括 聚合物及添加物，并且可由聚偏二氟乙烯(poly(vinylidene difluoride)， PVDF) 或其衍生物所制成，如聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物(poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene), P(VDF-TrFE))、聚偏二氟乙烯-四氟乙烯共聚物 (poly(vinylidene fluoride /tetrafluoroetbylene)， P(VDF-TeFE))或聚偏二氟乙烯 和六氟环氧丙烷的共聚物(poly(vinylidene fluoride- co-hexafluoropropylene), P(VDF-HEP))，而其它实施例中，压电材料30可由聚偏二氟乙烯 (polyvinylidene difluoride, PVDF)或其衍生物以及添加物制成，该添加物可以 是铌锌锆钛酸铅(PZT)、钛酸钙铅(Calcium-Modified. Lead Titanate， PCT)、 钬酸钡(Barium Titanate， BaTi03)、聚曱基丙烯酸曱酯(polymethylmethacrylate， PMMA)、聚氯乙烯(poly(vinyl chloride), PVC)的纤维、颗粒或粉末所制成， 上述材料可由溶液涂布成型、射出成型、巻绕(rolltoroll)滚压成型或热压成 型形成。压电材料30通过单轴向拉伸与电晕放电而形成，其厚度可在 0.1-3000微米之间。第一、第二电极31、 32可为透明材料，亦可由金、银、 铝、铜、铬、柏、氧化铟锡(indium tin oxide)、银胶、铜胶或其它导电材料通200910006708.7
说明书第5/8页
过电镀、蒸镀、旋转涂布、网印的方式涂覆于压电材料30的二表面上所制 成，第一、第二电极31、 32的厚度可在0.01-100微米之间。
有关于柔性压电扬声器的组装，壳式结构40通过巻绕加压工艺或垂直 加压工艺而设于背板45上，以使可挠结构41可与背板45接触，在实施例 中，可挠结构41可通过加热压合、超声波压合或机械压合而固定于背板45 上，或者是可挠结构41也可通过黏接件，例如双面胶、环氧树脂、快干胶 等与背板45结合。设于背板45上的第一壳式结构40以及可挠结构41可构 成柔性压电扬声器的单体42(如图5所示)，并且多个被设置在一起的单体可 构成如图5所示的柔性压电扬声器。
图1中的柔性压电扬声器的运作原理是由驱动电路100的第一端点101 输出声音信号电压至第一电极31,第二端点102为参考接地，连接第二电极 32。根据压电本构方程式，
《qTq +. dpjEj
其中
言1
0，.
根据上述方程式可知，当电压被施于电极时，可改变压电层的厚度以及 长度，厚度的改变非常小，而长度的改变则是重要的，这些改变可能导致压 电层的收缩或膨胀，就其本身而论，空气因而被加压或减压以产生声波。
图3为本发明的柔性压电扬声器实施例示意图，在此实施例中，柔性压 电扬声器包括多个第一壳式结构40a、第一可挠结构41a、第二壳式结构40b 以及第二可挠结构41b，而第二端点104与壳式结构40a、 40b的第二电极 32a、 32b耦接，以上这些组件与图1、 2所示的壳式结构40以及可挠结构 41具有相同结构，因此，这些组件以及其细部结构在此不再重复。
壳式结构40a、 40b以及可挠结构41a、 41b可提供空腔47,如图3所示， 第一壳式结构40a可通过巻绕式压合或垂直压合被设于第二壳式结构40b 上，第一可挠结构41a可通过例如加热压合、超声波压合、机械压合固定于
+ 1 o o
4
o o ，，
o o
+ 3第二可挠结构41b上，或者是通过双面胶、环氧树脂、快干胶等使第一可挠 结构41a固定于第二可挠结构41b上。由刚性结构所限制的空腔47，可调整 第一壳式结构40a以及第二壳式结构40b的尺寸及所限制的封闭空间压力， 以调整结构的共振频率，共振频率可在20赫兹~10万赫兹。
驱动电路100a具有第一端点103、第二端点104以及第三端点105。图 3的柔性压电扬声器的运作原理是由第一端点103输出信号至第一壳式结构 40a的第一电极31a,第三端点105可输出与第一端点103的信号具有相同 或相反相位的信号至第二壳式结构40b的第一电极31b,第二端点104为参 考接地，连接第 一壳式结构40a的第二电极32a与第二壳式结构40b的第二 电极32b。根据压电本构方程式，当给予电极电压时，可改变压电层的厚度 以及长度，厚度的改变非常小，而长度的改变则是重要的，这些改变可能导 致压电层的收缩或膨胀，就其本身而论，空气因而被加压或减压以产生声波。
图4为本发明的柔性压电扬声器实施例示意图，压电扬声器包括多个第 一壳式结构400a、第一可挠结构410a、第二壳式结构400b、第二可挠结构 410b、压电振膜35以及驱动电路100b。第一壳式结构400a、第一可挠结构 410a以及第二壳式结构400b、第二可挠结构410b与压电振膜35可提供空 腔50a、 50b。
第一壳式结构400a、第一可挠结构410a以及第二壳式结构400b、第二 可挠结构410b可由可塑性塑料、复合纤维材料或是金属薄板所制成，并且 可使用热压成型、射出成型、真空成型、加压成型、巻绕(rolltoroll)成型等 方式制造的。第一壳式结构400a可包括多个开孔，如音孔51a,而第二壳式 结构400b可包括多个音孔51b,第一壳式结构400a以及第二壳式结构400b 可为圆弧形、矩形、多边形等结构，第一壳式结构400a以及第二壳式结构 400b的刚性足以形成壳式结构，而具有弯曲刚性的第一及第二可挠结构 410a、 410b可被设于压电振膜35的每一表面上。
图7显示本发明的压电振膜35实施例示意图。压电振膜35包括第一电 极351、第二电极352以及设于第一电极351与第二电极352之间的压电层 350,压电层350包括聚合物及添加物，可为聚偏二氟乙烯(poly(vinylidene difluoride)， PVDF)或其衍生物所制成，如聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物 (poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene), P(VDF-TrFE))、聚偏二氟乙烯陽四 氟乙烯共聚物(poly(viny 1 idene fluoride /tetrafluoroetbylene)， P(VDF陽TeFE))或聚偏二氟乙烯和六氟环氧丙烷的共聚物(poly(vinylidene fluoride-co腦hexafluoropropylene)， P(VDF-HEP)),添加物可以是铌锌锆钛酸铅(PZT)、 《太酸钩4g(Calcium-Modified. Lead Titanate, PCT)、 4太酸钡(Barium Titanate, BaTi03)、聚甲基丙烯酸曱酯(polymethyimethacryiate， PMMA)、聚氯乙烯 (poly(vinyl chloride), PVC)的纤维、颗粒或粉末；上述材料可由溶液涂布成型 或射出成型、巻绕式成型、热压成型等方式形成，压电层350经单轴向拉伸 与电暈放电极化成形。第一电极351、第二电极352可由如金、银、铝、铜、 铬、铀、铟锡氧化物、银胶、铜胶、碳胶或其它导电材料所制成，通过濺镀、 蒸镀、旋转涂布、网印于压电材料350的二表面。其中，声音信号输出的第 一端点101b与第一电极351耦接，第二端点102b与第二电极352耦接。压 电层350被装配以对由声音信号输出的信号产生响应，并且产生声波。
有关于图4的柔性压电扬声器的组装，压电4展膜35通过巻绕加压工艺 或垂直加压工艺而设于第一壳式结构400a以及第二壳式结构400b之间，在 实施例中，第一及第二可挠结构410a、 410b可通过加热压合、超声波压合 或机械压合而固定于压电振膜35上，或者是第一及第二可挠结构410a、410b 也可通过縣接件，例如双面胶、环氧树脂、快干胶等与压电振膜35结合。 第一、第二壳式结构400a、 400b、第一及第二可挠结构410a、 410b以及压 电振膜35可构成柔性压电扬声器的单体420(如图6所示)，并且多个被设置 在一起的单体可构成如图6所示的柔性压电扬声器。
驱动电3各100b包括第一端点101b以及第二端点102b,图4的柔性压电 扬声器的运作原理是由驱动电路100b的第一端点101b输出声音信号电压至 第一电极351，第二端点102b为参考接地，连接至第二电极352。根据压电 本构方程式，当给予电压至电极时，压电振膜35将振动，因此产生声波， 此外，根据声学的赫姆霍兹方程式(Helmholtzequation)设计空腔50a、 50b， 可调整共振频率与增加扬声器效率。
图8显示本发明压电振膜36的实施例示意图。压电振膜36为双层压电 (bimorph)结构，例如压电振膜36可包括第一电极362、第二电极363、第三 电极364、第一压电层360以及第二压电层361,并且压电层360、 361的极 化方向相反，柔性压电扬声器的制法与图4相同，压电振膜36可取代图4 中的压电振膜35,而具有双层压电(bimorph)结构的振膜包括具有三端点 103c、 104c、 105c的驱动电路100c，运作原理由端点103c输出信号至第一电极362，端点105c可输出与端点103c的信号具有相同相位的信号至第三 电极364,端点104c为参考接地，连接第二电极363。根据压电本构方程式， 当给予压电材料声音信号电压时可导致压电振膜36振动，因此产生声波。
本发明的实施例可通过调整壳状结构的尺寸以调整其共振频率，可应用 于一般可听音的扬声器使用(20-20000赫兹)，也可以应用于超声波致动器的 使用(20000赫兹 100000赫兹)。
虽然本发明以实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域 的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰， 因此本发明的保护范围当以权利要求所界定为准。
权利要求
1.一种声音产生装置，包括第一壳式结构，包括至少一第一电极、第二电极以及第一压电层；声音信号输出的第一端点，与该第一壳式结构的该第一电极耦接；声音信号输出的第二端点，与该第一壳式结构的该第二电极耦接；第二壳式结构，包括至少一第一电极及第二电极以及第一压电层，该第一电极与该声音信号输出的第一端点耦合；该第二电极与该声音信号输出的第二端点耦接；以及第一可挠结构，连接于该第一壳式结构以及该第二壳式结构之间；其中，该第一壳式结构的第一压电层以及该第二壳式结构的该第一压电层被装配以对由该声音信号输出的信号产生响应，并且产生声波。
2. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中该第一壳式结构以及该第二 壳式结构通过具有位于该第一可挠结构的部位以及该第二可挠结构的部位 的貌着层相连接。
3. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中该第一壳式结构以及该第二 壳式结构的可挠结构通过超声波压合、加热压合、真空加热压缩、机械压合、 黏胶接合或巻绕等方式相连接。
4. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中该第一壳式结构的该第一压 电层以及该第二壳式结构的该第一压电层包括聚合物及添加物该聚合物包含聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-聚三氟乙烯，聚偏二氟乙 烯-四氟乙烯共聚物，或聚偏二氟乙烯和六氟环氧丙烷的共聚物；该添加物包含铌锌锆钛酸铅、钛酸钩铅、钛酸钡、聚曱基丙烯酸甲酯、 聚氯乙烯的纤维、颗粒或粉末。
5. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中该第一壳式结构的该第一压 电层以及该第二壳式结构的该第一压电层的厚度在0.1微米到3000微米之 间。
6. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中该第一壳式结构以及该第二 壳式结构大致为刚性的，以在空腔内限制间隔震动；由刚性结构所限制的该空腔，可调整该第一壳式结构以及该第二壳式结 构的尺寸及所限制的封闭空间压力，调整结构的共振频率，该共振频率在20赫兹~10万赫兹。
7. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中该第一壳式结构以及该第二 壳式结构包括第一柔性层，该第一柔性层具有塑料材料、复合纤维以及金属 薄板中至少之一 ，该第 一柔性层提供不同的厚度给该第 一可挠结构以及至少 一该第一以及第二壳式结构。
8. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中该第一柔性层具有厚度在 l(M敖米到1000(M殷米之间。
9. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中该第一壳式结构的第一电极 及第二电极以及该第二壳式结构的该第一电极及第二电极由至少一金、银、铝、铜、铬、铂、氧化铟锡、银胶、铜胶、碳胶或其它导电材料所形成。
10. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中该第一壳式结构的第一电 极及第二电极以及该第二壳式结构的第一电极及第二电极的厚度在0.01微 米到100孩i米之间。
11. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中对于该第一壳式结构以及 第二壳式结构来说，该第一电极及第二电极通过溅镀、电镀、蒸镀、旋转涂 布或网印的方式成形于该第一压电层上。
12. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中第一壳式结构附着于背板 上，以使封闭空间成形于第一壳式结构以及该背板之间。
13. 如权利要求12所述的声音产生装置，其还包括 第三壳式结构，具有至少一第一电极及第二电极以及第一压电层，该第三壳式结构与背板连接，以使空腔结构成形于该第三壳式结构与背板之间； 该声音信号输出的第二端点，与该第三壳式结构的该第一电极、第二电 极耦接；该第一压电层被装配以对由该声音信号输出的信号产生响应，并且 产生声波。
14. 如权利要求13所述的声音产生装置，其中该第一壳式结构以及该背 板通过具有位于该第一可挠结构的部位以及该背板的部位的黏着层被相连 接。
15. 如权利要求13所述的声音产生装置，其中该第 一壳式结构以及该背 板所构成的第一可挠结构通过超声波压合、加热压合、真空加热压缩、机械 压合或巻绕压合等方式相连接。
16. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中至少一该第一以及该第二壳式结构具有圆弧形、长方形或多边形。
17. —种声音产生装置，包括至少二壳式结构，具有至少一可挠结构结合于二相邻的第一壳式结构之 间，该第一壳式结构具有第一柔性层，该第一柔性层具有弯曲刚性以作为部 份该第一壳式结构;以及薄膜，包括至少一第一电极及第二电极以及至少一压电层，该电极与声 音信号输出的 一端点耦接，其中该压电层被装配以对由该声音信号输出的信 号产生响应，并且产生声波。
18. 如权利要求17所述的声音产生装置，其中每一这些第一壳式结构具 有多个开孔以允许声波通过。
19. 如权利要求17所述的声音产生装置，其中这些第一壳式结构通过具 有位于该第一可挠结构的部位以及该薄膜的部位的黏着层与该薄膜相连接。
20. 如权利要求17所述的声音产生装置，其中这些第一壳式结构通过至 少一超声波压合、加热压合、真空加热压缩、机械压合、黏胶接合或巻绕压 合等方式与该薄膜相连接。
21. 如权利要求17所述的声音产生装置，其中该第一柔性层由塑料材 料、复合纤维以及金属薄板中至少之一所制成，而该第一柔性层提供不同的 厚度给这些第一壳式结构以及该第一可挠结构。
22. 如权利要求17所述的声音产生装置，其中该第一及第二电极通过至 少一'减镀、电镀、蒸镀、旋转涂布或网印的方式成形于该压电层上。
23. 如权利要求17所述的声音产生装置，其中该薄膜包括第一电极以及 第二电极及第一压电层，该压电层位于该第一电极以及该第二电极之间。
24. 如权利要求17所述的声音产生装置，其中该薄膜包括第一电极、第 二电极以及第三电极与第一压电层以及第二压电层，该第一压电层位于该第 一电极以及该第二电极之间，而该第二压电层位于该第二电极以及第三电极 之间。其中该第一压电层的极化方向与该第二压电层的极化方向相反。
25. 如权利要求17所述的声音产生装置，其中压电层包括聚合物及添加物该聚合物包含聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-聚三氟乙烯，聚偏二氟乙 烯-四氟乙烯共聚物，或聚偏二氟乙烯和六氟环氧丙烷的共聚物；该添加物包含铌锌锆钛酸铅、钛酸钓铅、钛酸钡、聚甲基丙烯酸曱酯、 聚氯乙烯的纤维、颗粒或粉末。
全文摘要
一种声音产生装置，包括具有至少一第一电极、第二电极以及第一压电层的第一壳式结构、与第一壳式结构的第一电极耦接的声音信号输出的第一端点、与第一壳式结构的第二电极耦接的声音信号输出的第二端点、具有至少一第一电极、第二电极以及第一压电层的第二壳式结构，以及设于第一壳式结构与第二壳式结构之间的第一可挠结构，第二壳式结构的第一电极与声音信号输出的第一端点耦接，第二壳式结构的第二电极与声音信号输出的第二端点耦接，第一壳式结构的压电层以及第二壳式结构的压电层被配置用以响应由声音信号输出提供的信号并且产生声波。
文档编号H04R17/00GK101626537SQ200910006708
公开日2010年1月13日 申请日期2009年2月13日 优先权日2008年1月18日
发明者吴怡洁, 吴文中, 李世光, 柯文清, 萧文欣, 陈嘉伦 申请人:财团法人工业技术研究院
技术领域：
本发明涉及一种声音产生装置，特别是涉及一种压电扬声器。
背景技术：
近年来电子产品已有延续的发展，轻薄短小、可携带及小型装置的设计
概念被使用，就此点来说，可挠性电子技术(flexible electronic technology)逐 渐地被广泛应用，例如被应用于薄型显示器、液晶显示器、柔性电路以及可 挠性太阳能电池(flexible solar cell),可挠性电子的应用，例如可挠式扬声器 (flexible speaker),具有小型化、重量轻以及成本低廉的好处。
扬声器通过转换电信号以产生声音，即，将声音信号源转换成机械动作， 动圈式扬声器(moving-coilspeaker)为目前使用最广泛的运用，可由锥体的往 复运动产生声音，该锥体属于被悬挂于磁场中或是可移动地与磁场耦接的线 圈。流经线圈的电流会引起变化磁场(vaiying magnetic field)环绕于线圈周围， 二个磁场的互相影响会导致线圏的相对运动，因此移动锥体进行往复运动， 而对空气加压或减压，故会产生声波。由于结构的限制，动圈式扬声器较不 易被制成柔性态样或小型化。
柔性压电扬声器，可由柔性聚合物材料制成，如聚偏二氟乙烯 (piezoelectric polyvinylidene fluoride)及其4汙生4勿，由于具有压电J丈应 (piezoelectric effect),因此这样的柔性聚合物适合被用作扬声器。
美国专利公告第4638207号披露一种具有压电聚合膜的气球式(balloon) 压电扬声器，此专利主要是使用气球压力提供压电聚合膜张力，此外，可通 过气球的压力调整扬声器的共振频率。美国专利第6504289案披露一种压电 换能器(piezoelectric transducer)以传递声音能量，压电换能器被硬式壳体环 绕，因此难以制成柔性扬声器。美国专利第6349141案披露一种具有气球结 构的柔性声音换能器(flexible audio transducer),气球结构在强度上以及共振 频率的设计上会有较多的隐忧。美国专利第6717337案披露一种声音致动器 (acoustic actuator),包括压电驱动件，该压电驱动件以铌锌锆钬酸铅(PZT)或铌锌锆钛酸铅(PZT)的衍生物中的压电陶资材料所制作，通过压电驱动件的 径向收缩与扩张，声音振膜做振动以产生声波，不过压电陶乾容易受撞击而 碎裂。
发明内容
本发明的实施例提供一种声音产生装置，包括具有至少一电极、第二 电极以及第一压电层的第一壳式结构；与第一壳式结构的第一电极耦接的声 音信号输出的第一端点；与第一壳式结构的第二电极耦接的声音信号输出的 第二端点；具有第一电极以及第一压电层的第二壳式结构；以及耦接于第一 壳式结构以及第二壳式结构之间的第一可挠结构。第二壳式结构的第一电极 与声音信号输出的第一端点耦接，第一壳式结构的第一压电层以及第二壳式 结构的第一压电层被装配以对由声音信号输出的信号产生响应，并且产生声 波。
本发明的另一实施例中，柔性压电扬声器包括具有可挠结构的至少二 壳式结构以及具有至少一电极与至少一压电层的薄膜，这些壳式结构具有柔 性层，柔性层具有弯曲刚性以作为部份壳式结构，电极与声音信号输出的端 点耦接，压电层被装配以对由声音信号输出的信号产生响应，并且产生声波。
为了让本发明能更明显易懂，下文特别举出实施例，并配合附图，作详 细i兌明^口下。
图1为侧视剖面示意图，用于表示本发明实施例的软式压电扬声器的剖 面结构；
图2为详细侧视剖面示意图，表示本发明柔性扬声器的实施例的剖面结构。
图3为侧视剖面示意图，表示本发明柔性扬声器的实施例的剖面结构。 图4为侧视剖面示意图，表示本发明柔性扬声器的实施例的剖面结构。 图5为俯视示意图，表示本发明柔性扬声器的实施例的俯视结构。 图6为俯视示意图，表示本发明柔性扬声器的实施例的俯视结构。 图7为侧视剖面示意图，分别用以表示本发图8为侧视剖面示意图，分别用以表示本发明的压电振膜实施例的剖面 结构。
附图标记说明 3:压电层 30:压电材料
31、 31a、 31b、 351、 362:第一电极
32、 32a、 32b、 352、 363:第二电极 35、 36:压电振膜
350、 360、 361:压电层
364:第三电极
4:柔性层
40:壳式结构
40a、 400a:第一壳式结构
40b、 400b:第二壳式结构
41:可挠结构
41a、 410a:第一可挠结构
41b、 410b:第二可挠结构
42、 420:单体
45:背板
46:空腔结构
47、 50a、 50b:空腔
51a、 51b:音孔
100、 100a、 100b、 100c:驱动电^各
101、 102、 103c、 104c、 105c:端点 101b、 103:第一端点
102b、 104:第二端点 105:第三端点
具体实施例方式
图1为本发明实施例的柔性压电扬声器示意图。图1中的柔性压电扬声 器可包括多个壳式结构40、多个可挠结构41、背板45以及具有端点101、102的驱动电路100。壳式结构40与背板45相接，使空腔结构46成形于壳 式结构40与背板45之间。壳式结构40以及背板45可通过具有位于可挠结 构41的部位以及背板45的部位的黏着层被连接。可挠结构41亦可通过超 声波压合、加热压合、真空加热压缩、机械压合或巻绕压合等方式相连接。
图2显示壳式结构40以及可挠结构41的细部结构。壳式结构40与可 挠结构41可使用加压、热压成型、真空成型、射出成型或巻绕(roll to roll) 成型等方式制造，壳式结构40可为圆弧形、矩形或多边形等结构，由图1 中可看出，壳式结构40可与背板45形成空腔结构46，壳式结构40的刚性 足以形成壳式结构，而具有弯曲刚性的可挠结构41可被提供于背板45上。
壳式结构40以及可挠结构41可包括柔性层4以及压电层3，柔性层4 通过工艺方式被设于压电层3上，例如超声波压合、热压合、机械压合、黏 胶接合或巻绕压合(rolltoroll)式压合等方式，柔性层4可为透明材料，亦可 由可塑性塑料材料、复合纤维材料或是金属薄板所制成，柔性层4的厚度在 10-10000微米之间，且柔性层4可提供不同的厚度给可挠结构41以及壳式 结构40。另外，柔性层4亦可利用热压成型、射出成型、加压或巻绕式成型 等方式形成。而压电层3包含有第一电极31、第二电极32以及夹于第一电 极31与第二电极32之间的压电材料30，压电材料30可为透明材料，包括 聚合物及添加物，并且可由聚偏二氟乙烯(poly(vinylidene difluoride)， PVDF) 或其衍生物所制成，如聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物(poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene), P(VDF-TrFE))、聚偏二氟乙烯-四氟乙烯共聚物 (poly(vinylidene fluoride /tetrafluoroetbylene)， P(VDF-TeFE))或聚偏二氟乙烯 和六氟环氧丙烷的共聚物(poly(vinylidene fluoride- co-hexafluoropropylene), P(VDF-HEP))，而其它实施例中，压电材料30可由聚偏二氟乙烯 (polyvinylidene difluoride, PVDF)或其衍生物以及添加物制成，该添加物可以 是铌锌锆钛酸铅(PZT)、钛酸钙铅(Calcium-Modified. Lead Titanate， PCT)、 钬酸钡(Barium Titanate， BaTi03)、聚曱基丙烯酸曱酯(polymethylmethacrylate， PMMA)、聚氯乙烯(poly(vinyl chloride), PVC)的纤维、颗粒或粉末所制成， 上述材料可由溶液涂布成型、射出成型、巻绕(rolltoroll)滚压成型或热压成 型形成。压电材料30通过单轴向拉伸与电晕放电而形成，其厚度可在 0.1-3000微米之间。第一、第二电极31、 32可为透明材料，亦可由金、银、 铝、铜、铬、柏、氧化铟锡(indium tin oxide)、银胶、铜胶或其它导电材料通200910006708.7
说明书第5/8页
过电镀、蒸镀、旋转涂布、网印的方式涂覆于压电材料30的二表面上所制 成，第一、第二电极31、 32的厚度可在0.01-100微米之间。
有关于柔性压电扬声器的组装，壳式结构40通过巻绕加压工艺或垂直 加压工艺而设于背板45上，以使可挠结构41可与背板45接触，在实施例 中，可挠结构41可通过加热压合、超声波压合或机械压合而固定于背板45 上，或者是可挠结构41也可通过黏接件，例如双面胶、环氧树脂、快干胶 等与背板45结合。设于背板45上的第一壳式结构40以及可挠结构41可构 成柔性压电扬声器的单体42(如图5所示)，并且多个被设置在一起的单体可 构成如图5所示的柔性压电扬声器。
图1中的柔性压电扬声器的运作原理是由驱动电路100的第一端点101 输出声音信号电压至第一电极31,第二端点102为参考接地，连接第二电极 32。根据压电本构方程式，
《qTq +. dpjEj
其中
言1
0，.
根据上述方程式可知，当电压被施于电极时，可改变压电层的厚度以及 长度，厚度的改变非常小，而长度的改变则是重要的，这些改变可能导致压 电层的收缩或膨胀，就其本身而论，空气因而被加压或减压以产生声波。
图3为本发明的柔性压电扬声器实施例示意图，在此实施例中，柔性压 电扬声器包括多个第一壳式结构40a、第一可挠结构41a、第二壳式结构40b 以及第二可挠结构41b，而第二端点104与壳式结构40a、 40b的第二电极 32a、 32b耦接，以上这些组件与图1、 2所示的壳式结构40以及可挠结构 41具有相同结构，因此，这些组件以及其细部结构在此不再重复。
壳式结构40a、 40b以及可挠结构41a、 41b可提供空腔47,如图3所示， 第一壳式结构40a可通过巻绕式压合或垂直压合被设于第二壳式结构40b 上，第一可挠结构41a可通过例如加热压合、超声波压合、机械压合固定于
+ 1 o o
4
o o ，，
o o
+ 3第二可挠结构41b上，或者是通过双面胶、环氧树脂、快干胶等使第一可挠 结构41a固定于第二可挠结构41b上。由刚性结构所限制的空腔47，可调整 第一壳式结构40a以及第二壳式结构40b的尺寸及所限制的封闭空间压力， 以调整结构的共振频率，共振频率可在20赫兹~10万赫兹。
驱动电路100a具有第一端点103、第二端点104以及第三端点105。图 3的柔性压电扬声器的运作原理是由第一端点103输出信号至第一壳式结构 40a的第一电极31a,第三端点105可输出与第一端点103的信号具有相同 或相反相位的信号至第二壳式结构40b的第一电极31b,第二端点104为参 考接地，连接第 一壳式结构40a的第二电极32a与第二壳式结构40b的第二 电极32b。根据压电本构方程式，当给予电极电压时，可改变压电层的厚度 以及长度，厚度的改变非常小，而长度的改变则是重要的，这些改变可能导 致压电层的收缩或膨胀，就其本身而论，空气因而被加压或减压以产生声波。
图4为本发明的柔性压电扬声器实施例示意图，压电扬声器包括多个第 一壳式结构400a、第一可挠结构410a、第二壳式结构400b、第二可挠结构 410b、压电振膜35以及驱动电路100b。第一壳式结构400a、第一可挠结构 410a以及第二壳式结构400b、第二可挠结构410b与压电振膜35可提供空 腔50a、 50b。
第一壳式结构400a、第一可挠结构410a以及第二壳式结构400b、第二 可挠结构410b可由可塑性塑料、复合纤维材料或是金属薄板所制成，并且 可使用热压成型、射出成型、真空成型、加压成型、巻绕(rolltoroll)成型等 方式制造的。第一壳式结构400a可包括多个开孔，如音孔51a,而第二壳式 结构400b可包括多个音孔51b,第一壳式结构400a以及第二壳式结构400b 可为圆弧形、矩形、多边形等结构，第一壳式结构400a以及第二壳式结构 400b的刚性足以形成壳式结构，而具有弯曲刚性的第一及第二可挠结构 410a、 410b可被设于压电振膜35的每一表面上。
图7显示本发明的压电振膜35实施例示意图。压电振膜35包括第一电 极351、第二电极352以及设于第一电极351与第二电极352之间的压电层 350,压电层350包括聚合物及添加物，可为聚偏二氟乙烯(poly(vinylidene difluoride)， PVDF)或其衍生物所制成，如聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物 (poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene), P(VDF-TrFE))、聚偏二氟乙烯陽四 氟乙烯共聚物(poly(viny 1 idene fluoride /tetrafluoroetbylene)， P(VDF陽TeFE))或聚偏二氟乙烯和六氟环氧丙烷的共聚物(poly(vinylidene fluoride-co腦hexafluoropropylene)， P(VDF-HEP)),添加物可以是铌锌锆钛酸铅(PZT)、 《太酸钩4g(Calcium-Modified. Lead Titanate, PCT)、 4太酸钡(Barium Titanate, BaTi03)、聚甲基丙烯酸曱酯(polymethyimethacryiate， PMMA)、聚氯乙烯 (poly(vinyl chloride), PVC)的纤维、颗粒或粉末；上述材料可由溶液涂布成型 或射出成型、巻绕式成型、热压成型等方式形成，压电层350经单轴向拉伸 与电暈放电极化成形。第一电极351、第二电极352可由如金、银、铝、铜、 铬、铀、铟锡氧化物、银胶、铜胶、碳胶或其它导电材料所制成，通过濺镀、 蒸镀、旋转涂布、网印于压电材料350的二表面。其中，声音信号输出的第 一端点101b与第一电极351耦接，第二端点102b与第二电极352耦接。压 电层350被装配以对由声音信号输出的信号产生响应，并且产生声波。
有关于图4的柔性压电扬声器的组装，压电4展膜35通过巻绕加压工艺 或垂直加压工艺而设于第一壳式结构400a以及第二壳式结构400b之间，在 实施例中，第一及第二可挠结构410a、 410b可通过加热压合、超声波压合 或机械压合而固定于压电振膜35上，或者是第一及第二可挠结构410a、410b 也可通过縣接件，例如双面胶、环氧树脂、快干胶等与压电振膜35结合。 第一、第二壳式结构400a、 400b、第一及第二可挠结构410a、 410b以及压 电振膜35可构成柔性压电扬声器的单体420(如图6所示)，并且多个被设置 在一起的单体可构成如图6所示的柔性压电扬声器。
驱动电3各100b包括第一端点101b以及第二端点102b,图4的柔性压电 扬声器的运作原理是由驱动电路100b的第一端点101b输出声音信号电压至 第一电极351，第二端点102b为参考接地，连接至第二电极352。根据压电 本构方程式，当给予电压至电极时，压电振膜35将振动，因此产生声波， 此外，根据声学的赫姆霍兹方程式(Helmholtzequation)设计空腔50a、 50b， 可调整共振频率与增加扬声器效率。
图8显示本发明压电振膜36的实施例示意图。压电振膜36为双层压电 (bimorph)结构，例如压电振膜36可包括第一电极362、第二电极363、第三 电极364、第一压电层360以及第二压电层361,并且压电层360、 361的极 化方向相反，柔性压电扬声器的制法与图4相同，压电振膜36可取代图4 中的压电振膜35,而具有双层压电(bimorph)结构的振膜包括具有三端点 103c、 104c、 105c的驱动电路100c，运作原理由端点103c输出信号至第一电极362，端点105c可输出与端点103c的信号具有相同相位的信号至第三 电极364,端点104c为参考接地，连接第二电极363。根据压电本构方程式， 当给予压电材料声音信号电压时可导致压电振膜36振动，因此产生声波。
本发明的实施例可通过调整壳状结构的尺寸以调整其共振频率，可应用 于一般可听音的扬声器使用(20-20000赫兹)，也可以应用于超声波致动器的 使用(20000赫兹 100000赫兹)。
虽然本发明以实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域 的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰， 因此本发明的保护范围当以权利要求所界定为准。
权利要求
1.一种声音产生装置，包括第一壳式结构，包括至少一第一电极、第二电极以及第一压电层；声音信号输出的第一端点，与该第一壳式结构的该第一电极耦接；声音信号输出的第二端点，与该第一壳式结构的该第二电极耦接；第二壳式结构，包括至少一第一电极及第二电极以及第一压电层，该第一电极与该声音信号输出的第一端点耦合；该第二电极与该声音信号输出的第二端点耦接；以及第一可挠结构，连接于该第一壳式结构以及该第二壳式结构之间；其中，该第一壳式结构的第一压电层以及该第二壳式结构的该第一压电层被装配以对由该声音信号输出的信号产生响应，并且产生声波。
2. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中该第一壳式结构以及该第二 壳式结构通过具有位于该第一可挠结构的部位以及该第二可挠结构的部位 的貌着层相连接。
3. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中该第一壳式结构以及该第二 壳式结构的可挠结构通过超声波压合、加热压合、真空加热压缩、机械压合、 黏胶接合或巻绕等方式相连接。
4. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中该第一壳式结构的该第一压 电层以及该第二壳式结构的该第一压电层包括聚合物及添加物该聚合物包含聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-聚三氟乙烯，聚偏二氟乙 烯-四氟乙烯共聚物，或聚偏二氟乙烯和六氟环氧丙烷的共聚物；该添加物包含铌锌锆钛酸铅、钛酸钩铅、钛酸钡、聚曱基丙烯酸甲酯、 聚氯乙烯的纤维、颗粒或粉末。
5. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中该第一壳式结构的该第一压 电层以及该第二壳式结构的该第一压电层的厚度在0.1微米到3000微米之 间。
6. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中该第一壳式结构以及该第二 壳式结构大致为刚性的，以在空腔内限制间隔震动；由刚性结构所限制的该空腔，可调整该第一壳式结构以及该第二壳式结 构的尺寸及所限制的封闭空间压力，调整结构的共振频率，该共振频率在20赫兹~10万赫兹。
7. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中该第一壳式结构以及该第二 壳式结构包括第一柔性层，该第一柔性层具有塑料材料、复合纤维以及金属 薄板中至少之一 ，该第 一柔性层提供不同的厚度给该第 一可挠结构以及至少 一该第一以及第二壳式结构。
8. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中该第一柔性层具有厚度在 l(M敖米到1000(M殷米之间。
9. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中该第一壳式结构的第一电极 及第二电极以及该第二壳式结构的该第一电极及第二电极由至少一金、银、铝、铜、铬、铂、氧化铟锡、银胶、铜胶、碳胶或其它导电材料所形成。
10. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中该第一壳式结构的第一电 极及第二电极以及该第二壳式结构的第一电极及第二电极的厚度在0.01微 米到100孩i米之间。
11. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中对于该第一壳式结构以及 第二壳式结构来说，该第一电极及第二电极通过溅镀、电镀、蒸镀、旋转涂 布或网印的方式成形于该第一压电层上。
12. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中第一壳式结构附着于背板 上，以使封闭空间成形于第一壳式结构以及该背板之间。
13. 如权利要求12所述的声音产生装置，其还包括 第三壳式结构，具有至少一第一电极及第二电极以及第一压电层，该第三壳式结构与背板连接，以使空腔结构成形于该第三壳式结构与背板之间； 该声音信号输出的第二端点，与该第三壳式结构的该第一电极、第二电 极耦接；该第一压电层被装配以对由该声音信号输出的信号产生响应，并且 产生声波。
14. 如权利要求13所述的声音产生装置，其中该第一壳式结构以及该背 板通过具有位于该第一可挠结构的部位以及该背板的部位的黏着层被相连 接。
15. 如权利要求13所述的声音产生装置，其中该第 一壳式结构以及该背 板所构成的第一可挠结构通过超声波压合、加热压合、真空加热压缩、机械 压合或巻绕压合等方式相连接。
16. 如权利要求1所述的声音产生装置，其中至少一该第一以及该第二壳式结构具有圆弧形、长方形或多边形。
17. —种声音产生装置，包括至少二壳式结构，具有至少一可挠结构结合于二相邻的第一壳式结构之 间，该第一壳式结构具有第一柔性层，该第一柔性层具有弯曲刚性以作为部 份该第一壳式结构;以及薄膜，包括至少一第一电极及第二电极以及至少一压电层，该电极与声 音信号输出的 一端点耦接，其中该压电层被装配以对由该声音信号输出的信 号产生响应，并且产生声波。
18. 如权利要求17所述的声音产生装置，其中每一这些第一壳式结构具 有多个开孔以允许声波通过。
19. 如权利要求17所述的声音产生装置，其中这些第一壳式结构通过具 有位于该第一可挠结构的部位以及该薄膜的部位的黏着层与该薄膜相连接。
20. 如权利要求17所述的声音产生装置，其中这些第一壳式结构通过至 少一超声波压合、加热压合、真空加热压缩、机械压合、黏胶接合或巻绕压 合等方式与该薄膜相连接。
21. 如权利要求17所述的声音产生装置，其中该第一柔性层由塑料材 料、复合纤维以及金属薄板中至少之一所制成，而该第一柔性层提供不同的 厚度给这些第一壳式结构以及该第一可挠结构。
22. 如权利要求17所述的声音产生装置，其中该第一及第二电极通过至 少一'减镀、电镀、蒸镀、旋转涂布或网印的方式成形于该压电层上。
23. 如权利要求17所述的声音产生装置，其中该薄膜包括第一电极以及 第二电极及第一压电层，该压电层位于该第一电极以及该第二电极之间。
24. 如权利要求17所述的声音产生装置，其中该薄膜包括第一电极、第 二电极以及第三电极与第一压电层以及第二压电层，该第一压电层位于该第 一电极以及该第二电极之间，而该第二压电层位于该第二电极以及第三电极 之间。其中该第一压电层的极化方向与该第二压电层的极化方向相反。
25. 如权利要求17所述的声音产生装置，其中压电层包括聚合物及添加物该聚合物包含聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-聚三氟乙烯，聚偏二氟乙 烯-四氟乙烯共聚物，或聚偏二氟乙烯和六氟环氧丙烷的共聚物；该添加物包含铌锌锆钛酸铅、钛酸钓铅、钛酸钡、聚甲基丙烯酸曱酯、 聚氯乙烯的纤维、颗粒或粉末。
全文摘要
一种声音产生装置，包括具有至少一第一电极、第二电极以及第一压电层的第一壳式结构、与第一壳式结构的第一电极耦接的声音信号输出的第一端点、与第一壳式结构的第二电极耦接的声音信号输出的第二端点、具有至少一第一电极、第二电极以及第一压电层的第二壳式结构，以及设于第一壳式结构与第二壳式结构之间的第一可挠结构，第二壳式结构的第一电极与声音信号输出的第一端点耦接，第二壳式结构的第二电极与声音信号输出的第二端点耦接，第一壳式结构的压电层以及第二壳式结构的压电层被配置用以响应由声音信号输出提供的信号并且产生声波。
文档编号H04R17/00GK101626537SQ200910006708
公开日2010年1月13日 申请日期2009年2月13日 优先权日2008年1月18日
发明者吴怡洁, 吴文中, 李世光, 柯文清, 萧文欣, 陈嘉伦 申请人:财团法人工业技术研究院
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