壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭及其製造方法
2023-09-21 15:18:20
專利名稱：壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種薄型喇叭(thin speaker)，且特別是涉及一種具音樂品質(acoustics)、寬音域、可頻率調整控制及低頻響應提升的壓電陶瓷纖維複合 (piezoelectric ceramic fiber composite)薄型喇隊(thin speaker)。
背景技術：
聲音與影像為電子設備與使用者的主要溝通媒介，尤其在聲音的部分，由電影電視、收音機、隨身聽以至於智慧手機等產品，高品質的影像及聲音輸出一直是技術發展重要方向。尤其隨著可攜式智慧化電子產品功能不斷創新，在產品外觀尺寸持續縮小減薄減重的趨勢下，更重視影音輸出品質要求。然而，科技的進步在顯示影像部分有著長足的進步， 但受限於消費性可攜式智慧化電子產品整體尺寸空間有限，高品質喇叭的尺寸過大，只能內建語音用途或較差聲音輸出的電聲元件，無法達到播放音樂的品質要求。高品質的聲音或音樂則仍需依賴外接喇叭來獲得0. 2 20kHz的寬音域效果。喇叭的動作方式一般是使用包括動圈、壓電與靜電(或稱駐極體)等三種。其中 「壓電式喇叭」是使用壓電陶瓷薄片做為機電轉換源，當外加電場時可驅動壓電陶瓷薄片產生機械變形，驅動振膜使其發聲。壓電材料為剛性高的陶瓷材料，結合振膜後產生的振動不利於低音域表現，因此有些專利是在結構上作設計，使其利用外接平臺或具有容積的物體作為音箱來達到低音域的改善，但其屬於攜帶式外接型喇叭設計，無法整合到薄型電子產品。此外，壓電式喇叭雖然可由壓電陶瓷厚度降低改善低音域響應，如美國專利 US7596235。但受限於陶瓷易脆特性，不易製作厚度夠薄的壓電陶瓷薄片，因此目前發展有使用多層結構來改善陶瓷片易脆問題，如美國專利公開號US20030099371，其雖然音壓可因多層的疊加作用而增加，但對低音域響應的改善仍不足，其低音域一般仍在IkHz左右才有足夠的響應，低音域的表現仍有相當的改善空間。此外，由於降低壓電陶瓷的剛性可改善低音頻的特性，所以也有專利如美國專利公開號US20100150381是使用聚偏二氟乙烯(polyvinylidenedif luoride，PVDF)及鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷粉末混練再刮刀成膜，但傳統以樹脂與壓電陶瓷粉體混合形成的複合材料，雖有低的剛性卻損失壓電材料的機電轉換特性，導致輸出音量的降低。
發明內容
本發明的目的在於提供一種壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，能改善音樂品質、可頻率調整控制及提升低頻響應。本發明另一目的在於提供一種壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭的製造方法，能簡單製作出音質佳、寬音域且適合微型化的薄型喇叭。為達上述目的，本發明提出一種壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，包括由交聯固化膠體及多個壓電單元(element)構成的壓電陶瓷纖維複合材致動器(actuator)與至少一振膜(vibration film)。上述振膜是位於壓電陶瓷纖維複合材致動器的單面或雙面。在本發明的一實施例中，上述壓電陶瓷纖維複合材致動器的楊氏模數(Yoimg' s modulus)範圍是0. IGI^a lOGpa，較佳的是至5GPa，致動器仍需一定強度的剛性才能將機械能有效傳遞至振膜。在本發明的一實施例中，上述振膜的楊氏模數範圍為0. IGPa 3. 5GPa，較佳的是 2GPa 至 3. 5GPa0在本發明的一實施例中，每一壓電單元為壓電陶瓷纖維。而壓電陶瓷纖維的成分如表示為ABO3，其中A代表鉛(Pb)、鋇(Ba)、鑭(La)、鍶(Sr)、鉀(K)或鋰(Li) ；B代表鈦(Ti)、鋯(Zr), M (Mn)、鈷(Co)、鈮(Nb)、鐵 0 )、鋅(Si)、鎂(Mg)、釔(Y)、錫(Sn)、鎳 (Ni)或鎢(W)。上述壓電陶瓷纖維的線徑範圍為20μπι IOOOym,較佳的是ΙΟΟμπ!至 300 μ m。壓電陶瓷纖維的添加量範圍為60vol% 92vol %，較佳的添加量是80vol %以上至 92vol%。在本發明的一實施例中，上述壓電陶瓷纖維複合材致動器的面積為0.5cm2 25cm2，較佳的複合材致動器面積是5cm2以上至25cm2。在本發明的一實施例中，上述壓電陶瓷纖維複合材致動器的厚度範圍為30μπι 300 μ m,較佳的是 70 μ m 至 120 μ m。在本發明的一實施例中，上述交聯固化膠體是選自包括環氧樹脂系樹脂、壓克力系樹脂與酚醛樹脂所組成的族群中的一種聚合物。在本發明的一實施例中，上述壓電陶瓷纖維複合材致動器為圓形、橢圓或矩形。在本發明的一實施例中，上述振膜還包括電極層，其中電極層的材料包括金(Au)、 鉬(Pt)、銀(Ag)、銀鈀(Ag-Pd)、鋁(Al)或銅(Cu)。電極層的厚度範圍為0. 1 μ m 10 μ m，
0. lym。在本發明的一實施例中，上述振膜是選自包括聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)與聚醯亞胺(polyimide，PI)所組成的族群中的一種材料。在本發明的一實施例中，上述振膜的厚度範圍為15μπι 150μπι，較佳的是 100 μ m 以下至 15 μ m。在本發明的一實施例中，上述振膜的形狀為圓形或矩形。在本發明的一實施例中，上述振膜的面積範圍為Icm2 250cm2，振膜面積與致動器面積的比值在2 5左右會有較佳的音場表現，振膜的較佳的面積範圍為IOcm2 U5cm2。本發明另提出一種壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭的製造方法，包括先將壓電陶瓷纖維排列集束，再用一交聯固化膠體粘結壓電陶瓷纖維並固化所述交聯固化膠體，而形成一壓電陶瓷纖維複合材料。接著，切割壓電陶瓷纖維複合材料以得到數個複合材薄片。然後， 極化複合材薄片作為壓電陶瓷纖維複合材致動器，再於壓電陶瓷纖維複合材致動器的單面或雙面貼合振膜。在本發明的另一實施例中，切割上述壓電陶瓷纖維複合材料的步驟包括以垂直壓電陶瓷纖維的角度進行切割。在本發明的另一實施例中，在貼合振膜之前還可包括在振膜的表面形成電極層。
在本發明的另一實施例中，形成上述電極層的方法包括真空濺鍍或印刷。基於上述，本發明用壓電陶瓷纖維複合材料做為致動器，故此薄型壓電複合材喇叭在低音頻OOO IkHz)就有高響應(> 90dB)並可延伸至高音頻( 20kHz)，而且因為結構簡單、超薄(< 0.5mm)，所以容易與可攜式產品整合。經測試還能得到低失真度(distortion rate)( 10% )的效果。因此，本發明的喇叭無論就音質(acoustics characteristic)或體積而言均較傳統壓電陶瓷喇機(piezoelectric speaker)優異,且驅動電壓低。為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附附圖作詳細說明如下。
圖1是本發明依照一實施例的一種壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭的立體透視圖；圖2是圖1的變形例；圖3是本發明依照另一實施例的一種壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭的立體透視圖；圖4A和圖4B分別是本發明兩種不同的壓電陶瓷纖維複合材致動器的立體圖；圖5是本發明依照又一實施例的一種壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭的製造流程步驟圖；圖6是本發明實例一的不同壓電陶瓷纖維添加量的喇叭的音頻響應曲線圖；圖7是本發明實例一的不同壓電陶瓷纖維添加量的喇叭的總諧波失真曲線圖；圖8是本發明實例二的不同上、下振膜面積比的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭的音頻響應曲線圖；圖9是本發明實例二的不同上、下振膜面積比的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭的總諧波失真曲線圖；圖10是本發明實例三的不同上、下振膜面積比與起振頻率及音頻響應的曲線圖；圖11是本發明實例四的不同上、下振膜面積比的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭的音頻響應曲線圖；圖12是本發明實例六的振膜厚度比與音壓響應電位的關係圖；圖13是本發明實例七的致動器厚度與音壓響應電位的關係圖。主要元件符號說明100,300 壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭102,302,304 振膜104 壓電陶瓷纖維複合材致動器106、400 交聯固化膠體108:壓電單元110:電極層402:壓電陶瓷球404:壓電陶瓷塊S500 S508 步驟
具體實施例方式圖1是依照一實施例的一種壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭的立體透視圖。請參照圖1，本實施例的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭100包括一振膜102與一壓電陶瓷纖維複合材致動器104。其中壓電陶瓷纖維複合材致動器104的楊氏模數範圍例如是0. IGPa lOGPa，較佳的是3GPa至5GPa，而位在壓電陶瓷纖維複合材致動器104單面的振膜102的楊氏模數範圍例如0. IGPa 3. 5GPa，較佳的是2GPa至3. 5GI^。上述壓電陶瓷纖維複合材致動器104是由交聯固化膠體106及數個壓電單元(element) 108構成，其中每一壓電單元108為壓電陶瓷纖維，其成分如表示為ABO3，則A代表mKBa、La、Sr、K、Li等元素；B代表Ti、Zr、Mn、Co、Nb、Fe、Zn、Mg、Y、Sn、Ni、W等元素。由於壓電陶瓷複合材料中陶瓷相的比例較高時，其機電轉換效率可高於全壓電陶瓷材料約10%以上，所以壓電陶瓷纖維的添加量可為60vol % 92vol %，較佳的是80vol % 92vol %，以得到更佳的機電轉換效率、更低的剛性與質量比。上述壓電陶瓷纖維的線徑範圍譬如20μπι ΙΟΟΟμπι，較佳的是100 μ m至300 μ m。至於交聯固化膠體106則例如選自包括環氧樹脂(epoxy)系樹脂、壓克力(acrylic)系樹脂與酚醛樹脂(novolakresin)所組成的族群中的一種聚合物。請繼續參照圖1，本實施例中的壓電陶瓷纖維複合材致動器104的面積例如在 0. 5cm2 25cm2之間、厚度範圍例如在30 μ m 300 μ m之間，較佳的是面積在5cm2 25cm2、 厚度範圍為70 μ m至120 μ m之間。而振膜102可為包括兩種或兩種以上不同楊氏模數的有機或有機無機混成的複合材，如選自包括聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene ter印hthalate，PET)與聚醯亞胺(polyimide，PI)所組成的族群中的一種材料。此外，振膜102的厚度範圍例如在15μπι 150μπι之間、面積範圍例如在 Icm2 250cm2之間，較佳的振膜102厚度在15 μ m 100 μ m、振膜102面積與致動器104 面積的比值在2 5左右會有較佳的音場表現，較佳的振膜102面積範圍例如在IOcm2 125cm2之間。另外，在振膜102與壓電陶瓷纖維複合材致動器104的貼附面與相對面上還可包括電極層110，其材料包括Au、Pt、Ag、Ag-Pd, Al、Cu等。電極層110的厚度範圍例如 0. Ιμ ΙΟμ 之間，較佳的電極層110厚度範圍在0. 5μπ Ιμ 之間。在圖1中，壓電陶瓷纖維複合材致動器104為矩形；振膜102的形狀也為矩形。但是，本發明並不限於此，本實施例的壓電陶瓷纖維複合材致動器104還可以是圓形(如圖2) 或橢圓。同樣地，振膜102的形狀還可以是圓形(如圖幻或其他形狀，且振膜102與壓電陶瓷纖維複合材致動器104的形狀可相同抑或不同。圖3是依照另一實施例的一種壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭的立體透視圖，其中使用與圖1相同的元件符號來代表相同的構件。請參照圖3，本實施例的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭300除壓電陶瓷纖維複合材致動器104外，還有位在壓電陶瓷纖維複合材致動器104雙面的第一振膜302與第二振膜 304。其中，第一振膜302與第二振膜304的材料、厚度與面積等均可參照圖1的實施例。在上述各圖中，壓電陶瓷纖維複合材致動器104是屬於1 (壓電陶瓷纖維)_3(硬化膠體)結構的複合材；也就是說，其中的壓電單元108(壓電陶瓷纖維)具有同一方向性排列，交聯固化膠體106則包附於壓電單元108之間，亦即有機材料粘結各向同性排列的壓電陶瓷纖維，以達到高陶瓷相(>60%)的複合材。因此，除上述實施例的附圖外，圖4A和圖4B都可應用在壓電陶瓷纖維複合材致動器104。圖4A是由交聯固化膠體400及壓電陶瓷球(spheres) 402構成的複合材。圖4B是由交聯固化膠體400及壓電陶瓷塊(dices) 404 構成的複合材。除圖中所示的1-3結構的複合材外，本發明應可應用其他類型的複合材，並不限於此。圖5是依照又一實施例的一種壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭的製造流程步驟圖。請參照圖5，首先在步驟S500中將壓電陶瓷纖維排列集束，其中所用的壓電陶瓷纖維的成分如表示為ABO3，則A代表鉛(Pb)、鋇(Ba)、鑭(La)、鍶(Sr)、鉀(K)或鋰(Li) ；B 代表鈦(Ti)、鋯(Zr)、錳(Mn)、鈷(Co)、鈮(Nb)、鐵(Fe)、鋅(Zn)、鎂(Mg)、釔(Y)、錫(Sn)、 鎳(Ni)或鎢(W)。上述壓電陶瓷纖維的線徑約20μπι 1000 μ m，較佳的是100 μ π!至 300 μ m0然後，在步驟S502中用一交聯固化膠體粘結上述壓電陶瓷纖維並固化所述交聯固化膠體，而形成低楊氏模數(約0. IGPa lOGpa，較佳的是3GPa至5GPa)的一壓電陶瓷纖維複合材料。所述交聯固化膠體例如是選自包括環氧樹脂系樹脂、壓克力系樹脂與酚醛樹脂所組成的族群中的一種聚合物。而以交聯固化膠體與壓電陶瓷纖維的體積相比，壓電陶瓷纖維的添加量約60vol % 92vol %，較佳的是80vol %以上至92vol %。接著，在步驟S504中切割壓電陶瓷纖維複合材料，以得到數個複合材薄片。在本實施例中，步驟S504例如是以垂直壓電陶瓷纖維的角度進行切割。在步驟S504之後，還可研磨複合材薄片，以得到更薄或更精細的形狀。之後，在步驟S506中極化複合材薄片，以將其作為壓電陶瓷纖維複合材致動器。然後，在步驟S508中於壓電陶瓷纖維複合材致動器的單面或雙面貼合振膜，其中振膜的楊氏模數約0. IGPa 3. 5GPa,較佳的是2GPa至3. 5GPa。振膜例如選自包括聚碳酸酯(PC)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)與聚醯亞胺(PI)所組成的族群中的一種材料。另外，步驟S508之前還可在振膜的表面先形成電極層，其方法例如真空濺鍍或印刷。上述電極層的材料例如Au、Pt、Ag、Ag-Pd, Al或Cu。以下列舉幾個實驗來驗證本發明的效果。實例一首先，製作不同壓電陶瓷纖維添加量的複合材棒，包含壓電陶瓷纖維添加量為 53vol%,72vol%,80vol% 以及 85vol%的複合材製作方式是先將壓電陶瓷纖維集束後置入面積為5cm2的模具內，所用的壓電陶瓷纖維的線徑為250 μ m，其長度為10cm。接著，調製適當可硬化的交聯固化膠體，此處使用環氧樹脂填入模具內後，施以離心及抽氣步驟，待膠體硬化脫模後得到具有壓電陶瓷纖維各向同性排列的無機陶瓷與有機膠體的複合材。然後，以垂直纖維的角度切割上述複合材並極化得到超薄的壓電複合材薄片作為帶動喇叭振膜的致動器，壓電陶瓷纖維複合材致動器的厚度為70 μ m、面積固定為5cm2。另外，準備一個傳統全壓電陶瓷致動器，其面積為5cm2、厚度為70 μ m。然後，測量以上樣品的複合材特性，結果顯示於下表一。在表一中，壓電陶瓷纖維複合材致動器的楊氏模數(Y33)明顯比傳統全壓電陶瓷的值小2 3個數量級。表一
8
權利要求
1.一種壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，包括壓電陶瓷纖維複合材致動器，其是由一交聯固化膠體及多數個壓電單元構成；以及至少一振膜，位於該壓電陶瓷纖維複合材致動器的單面或雙面。
2.如權利要求1所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該壓電陶瓷纖維複合材致動器楊氏模數範圍為0. IGPa lOGPa。
3.如權利要求2所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該壓電陶瓷纖維複合材致動器楊氏模數範圍為3GPa 5GPa。
4.如權利要求1所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該至少一振膜的楊氏模數範圍為 0. IGPa 3. 5GPa。
5.如權利要求4所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該至少一振膜的楊氏模數範圍為 2GPa 3. 5GPa。
6.如權利要求1所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中每一壓電單元為壓電陶瓷纖維。
7.如權利要求6所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該壓電陶瓷纖維的成分表示為AB 0 3，其中A代表鉛、鋇、鑭、鍶、鉀或鋰；B代表鈦、鋯、錳、鈷、鈮、鐵、鋅、鎂、釔、錫、鎳或鎢。
8.如權利要求6所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該壓電陶瓷纖維的線徑範圍 ^ 20 μ m ~ 1000 μ m。
9.如權利要求8所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該壓電陶瓷纖維的線徑範圍 % ΙΟΟμ300ym。
10.如權利要求6所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該壓電陶瓷纖維的添加量範圍為 60vol% 92vol%。
11.如權利要求10所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該壓電陶瓷纖維的添加量範圍為 80vol% 92vol%。
12.如權利要求1所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該壓電陶瓷纖維複合材致動器的面積為0. 5cm2 25cm2。
13.如權利要求12所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該壓電陶瓷纖維複合材致動器的面積為5cm2 25cm2。
14.如權利要求1所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該壓電陶瓷纖維複合材致動器的厚度範圍為30 μ m 300 μ m。
15.如權利要求14所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該壓電陶瓷纖維複合材致動器的厚度範圍為70 μ m 120 μ m。
16.如權利要求1所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該交聯固化膠體是選自包括環氧樹脂系樹脂、壓克力系樹脂與酚醛樹脂所組成的族群中的一種聚合物。
17.如權利要求1所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該壓電陶瓷纖維複合材致動器為圓形、橢圓或矩形。
18.如權利要求1所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該振膜還包括一電極層。
19.如權利要求18所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該電極層的材料包括金、 鉬、銀、銀鈀、鋁或銅。
20.如權利要求18所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該電極層的厚度範圍為 0. 1 μ m 10 μ m0
21.如權利要求20所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該電極層的厚度範圍為 0. 5 μ m 1 μ m0
22.如權利要求1所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該至少一振膜是選自包括聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯與聚醯亞胺所組成的族群中的一種材料。
23.如權利要求1所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該至少一振膜的厚度範圍為 15 μ m 150 μ m。
24.如權利要求23所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該至少一振膜的厚度範圍為 15 μ m 100 μ m。
25.如權利要求1所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該至少一振膜的形狀為圓形或矩形。
26.如權利要求1所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該至少一振膜的面積範圍為 Icm2 250cm2。
27.如權利要求沈所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，其中該至少一振膜的面積範圍為IOcm2 125cm2，且該至少一振膜的面積與該致動器的面積的比值在2 5。
28.—種壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭的製造方法，用於製造如權利要求1 27中任一所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭，該方法包括將多數個壓電陶瓷纖維排列集束；用一交聯固化膠體粘結該些壓電陶瓷纖維並固化該交聯固化膠體，以形成一壓電陶瓷纖維複合材料；切割該壓電陶瓷纖維複合材料，以得到多數個複合材薄片；極化至少一複合材薄片，作為一壓電陶瓷纖維複合材致動器；以及在該壓電陶瓷纖維複合材致動器的單面或雙面貼合振膜。
29.如權利要求觀所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭的製造方法，其中切割該壓電陶瓷纖維複合材料的步驟包括以垂直該些壓電陶瓷纖維的角度進行切割。
30.如權利要求觀所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭的製造方法，其中貼合該振膜之前還包括在該振膜的表面形成電極層。
31.如權利要求30所述的壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭的製造方法，其中形成該電極層的方法包括真空濺鍍或印刷。
全文摘要
本發明公開一種壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭及其製造方法。上述喇叭包括至少一振膜以及由交聯固化膠體及多個壓電單元構成的壓電陶瓷纖維複合材致動器。上述振膜是位於壓電陶瓷纖維複合材致動器的單面或雙面。這樣的薄型寬音域喇叭在低音頻具有高音壓電位並延伸至高音頻具有超薄、低失真度的特性。因此，上述壓電陶瓷纖維複合薄型喇叭在音質、寬音域或微型結構上均優異。
文檔編號H04R9/06GK102487475SQ20101059339
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月17日 優先權日2010年12月6日
發明者林家欣, 王譯慧, 鄭世裕 申請人:財團法人工業技術研究院