CN100496057C - 压电电声换能器 - Google Patents

Abstract

一种压电电声换能器，它是小型化的，并具有被降低的频率，即使在隔膜片发生翘曲或卷绕时，共振频率也是稳定的。该压电电声换能器包括：基本为矩形的压电隔膜片，响应在各电极之间所加给的交变信号而沿厚度方向产生弯曲振动；外壳，用于容纳压电隔膜片；其中所述外壳设有支撑部件，用于支撑压电隔膜片的四个边角。

Description

压电电声换能器

技术领域

本发明涉及一种压电电声换能器，如压电蜂鸣器和压电受话器。

背景技术

在电子设备、家用电器、便携电话和其它电子设备中，已经广泛采用压电电声换能器作为压电蜂鸣器或压电受话器，以获得报警声音或启动声音。这种类型的压电电声换能器的结构通常包括一个圆形压电元件，它被粘接在圆形金属板的一个表面上，形成单压电晶片型隔膜片，并且金属板的外周用硅橡胶安装在圆形外壳内，该外壳的开口由封盖关闭。

但是，使用圆形隔膜片时，会存在如下问题：生产效率低、声音转换效率低，并且难以使压电电声换能器小型化。

日本未审专利申请公开2000-310990中公开了一种压电电声换能器，它能够提高生产效率和声音转换效率，并且通过使用矩形隔膜片而能够实现小型化。这种压电电声换能器包括矩形压电隔膜片；绝缘容器，它具有底壁、四个侧壁和设在彼此相对的两个侧壁之间内部的支撑部件，用以支撑隔膜片，这个支撑部件设有第一和第二导电部件，用于外连接；以及盖板，其上设有用于发声的孔。所述隔膜片装在外壳中，其中用胶或弹性密封剂将隔膜片两个相对侧面固定在所述支撑部件上，同时用弹性密封剂密封该隔膜片的其余两侧与外壳之间的空隙，从而由导电胶使该隔膜片以及第一和第二导电部件电连接在一起，并且该盖板粘接在容器侧壁的开口端。

作为另一种固定压电隔膜片的方法，还有一种方法，是用胶或弹性密封剂将隔膜片的四侧固定在支撑部件上。

在所述隔膜片中，弯曲振动可以是长度弯曲模式和面积弯曲模式的弯曲振动，与隔膜片被支撑的方式相应。前者是由长度方向的两个端部作为支撑，沿板厚度方向的弯曲振动模式，其中将隔膜片的两侧固定于容器；后者是通过将隔膜片的四侧固定于容器，由四侧作为支撑，使隔膜片整个面积沿板厚度方向弯曲振动的模式，从而对角线的交点具有最大位移。

但传统的长度弯曲模式和面积弯曲模式中的任何一种弯曲振动都有如下缺陷：隔膜片的共振频率高，不能提高低频范围内的声压。当增加外壳和隔膜片的尺寸时，可使共振频率的频率降低。但也因此而使该压电电声换能器的尺寸变大。

另外，传统的压电电声换能器还有如下问题：当隔膜片发生翘曲或卷绕时，其共振频率不稳定，因为隔膜片的两侧或四侧被牢固地约束着。

发明内容

为解决上述问题，本发明的优选实施例提供一种压电电能换能器，它是小型化的，而且具有降低了的频率，即使当隔膜片发生翘曲或卷绕时，共振频率也是稳定的。

按照本发明的优选实施例，提供一种压电电声换能器，包括：具有电极并且基本为矩形的压电隔膜片，它响应在电极之间沿板厚度方向施加的交变信号产生弯曲振动；外壳，用于容纳压所述电隔膜片，其中该外壳设有支撑部件，用于支撑压电隔膜片的四个边角。

当被照例将隔膜片的四侧支撑在外壳上时，以及按照本发明的优选实施例当使隔膜片的四个边角支撑在其上时，在这两种情况下，所述隔膜片都是按照面积弯曲模式振动。但是如图1A和1B所示，振动波节是不同的。也就是在如图1A所示那样支撑隔膜片的四侧时，隔膜片以内切圆为波节振动，而在如图1B所示那样支撑隔膜片的四个边角时，所述隔膜片以基本外接于该隔膜片的圆为波节振动。因此，与前者相比，后者在圆中心处的位移最大，即声压更大。而且，与前者相比，后者的隔膜片位移面积更大，从而后者的振动频率更低，于是，即使在相同外部尺寸的隔膜片中也能够实现低频。

图1A和1B示出以上述不同的方式支撑隔膜片的四侧的比较。即使与支撑隔膜片两侧的情况比较，在本发明优选实施例的支撑结构中，也极大地减小对隔膜片的约束力，从而可以实现低频，并可提高低频范围的声压。

如上所述，通过支撑隔膜片的四个边角，可以实现小型化并使频率降低，因为隔膜片是可以自由偏转的，而且，即使在隔膜片发生翘曲或卷绕的情况下，也能防止在共振频率下的振动。

按照本发明优选实施例的压电电声换能器还可以包括：端部电极，具有露出于支撑部件附近的内连接和露出于外壳外表面并与内连接电连接的外连接；以及导电胶，其中可以由导电胶使压电隔膜片的电极与端部电极的内连接电连接在一起。

这就是说，为使隔膜片按照面积弯曲模式振动，必须在隔膜片的电极之间施加交变信号。通过用导电胶将隔膜片的电极连接至露出在外壳支撑部件附近的内连接，就可以通过尽可能减小抵抗隔膜片振动之抑制力而施加交变信号。

另外，当譬如使用氨基甲酸乙酯导电糊作为导电胶时，因其在固化之后的弹性，而不需要较大的抵抗隔膜片的抑制力。

最好用弹性密封剂密封压电隔膜片的外周与外壳内周之间的间隙。

即使在隔膜片按照面积弯曲振动方式弯曲振动的情况下，如果在隔膜片和外壳之间存在间隙，就会有空气从其中泄漏，因此不能得到声压。通过用弹性密封剂密封压电隔膜片的外周与外壳内周之间的间隙，可以避免空气泄漏，而不会妨碍隔膜片的振动。

对于弹性密封剂而言，譬如可以使用硅酮胶；也可以使用其它的密封剂。

所述压电隔膜片最好包括至少附着在隔膜片外周的膜，通过将膜片熔融或粘接在外壳的内周而密封压电隔膜片与外壳之间的间隙。

尽管可以通过施加弹性密封剂密封隔膜片与外壳之间的间隙，但是当把过厚的弹性密封剂附着在隔膜片与外壳之间的间隙中时，可能会使振动衰减。因此，当隔膜片和外壳用薄膜连接时，会使所述的隔膜片容易振动，从而能够获得高的声压。

可以将所述的膜片只附着在隔膜片的外周，或者可以附着在隔膜片的整个表面上。

最好使设在外壳中的各支撑部件是突起件，用于压电隔膜片的四个边角附近的点支撑。

也就是说，当支撑部件可以是平的，从而在其表面上支撑隔膜片的四个边角时，其中使接触面积增加，从而可能使振动衰减。但是，当支撑部件是突起件时，所述隔膜片很少受到抑制，由此提高了声压特性。

在这种情况下，当在外壳的上下部分设置相对的突起，以便在突起之间夹住隔膜片的边角时，可以省略用胶来固定的步骤，从而简化制造程序，并且由于支撑面积减少，从而可以避免振动的衰减。

从以下参考附图对优选实施例的详细描述，可使本发明的其它特征、要素、特征和优点了解得更加清楚。

附图说明

图1示出对在四侧支撑隔膜片和在其边角处支撑隔膜片之间振动波节的比较；

图2是本发明第一实施例压电电声换能器的装配示意图；

图3是图2所示压电电声换能器的平面视图，图中已去掉盖板和弹性密封剂；

图4为沿图3中A-A线的截面图；

图5为图2所示压电电声换能器中所用压电隔膜片的透视图；

图6为沿图5的B-B线的阶梯剖面图；

图7示出当在两侧支撑压电隔膜片和当在其边角处支撑压电隔膜片时的声压比较图；

图8是本发明第二优选实施例压电电声换能器的平面视图，图中已去掉盖板和弹性密封剂；

图9为沿图8的C-C线的截面图；

图10为图8所示压电电声换能器中所包括的外壳的透视图；

图11本发明第三优选实施例压电电声换能器的透视图，图中已去掉盖板；

图12是图11所示容器和隔膜片的装配示意图。

具体实施方式

图2-6表示本发明第一实施例的表面安装型压电电声换能器。

本优选实施例电声换能器适用于宽频，如压电受话器，它包括层状结构的压电隔膜片1、容器10和盖板20。所述容器10和盖板20构成外壳。

如图5和6所示，最好通过沉积两个压电陶瓷层1a和1b制成所述隔膜片1，并且包括设在两个主平面上的主平面电极2和3，以及设在陶瓷层1a和1b之间的内电极4。如图中粗线所示，这两个陶瓷层1a和1b沿着一个厚度方向被极化。最好使上部主表面电极2和底部主表面电极3比隔膜片1的侧面长度略小，它们的一个端部连接到设在隔膜片1的一个端面上的端面电极5。从而使两个主平面电极2和3彼此连接。内电极4基本与主平面电极2和3对称，内电极4的一端与端面电极5分开，而其另一端连接至设在隔膜片1的另一端面上的端面电极6。另外，在隔膜片1的另一端的两个表面上，设置宽度较小的辅助电极7，用于电连接至端面电极6。

在隔膜片1的上表面和底表面上，设置树脂层8和9，分别用以覆盖主平面电极2和3。提供树脂层8和9，用以提高破损的强度。在上部和底部树脂层8和9上，在隔膜片1的沿对角线彼此相对的边角的附近，设置露出主平面电极2和3的断口8a和9a和露出辅助电极7的断口8b和9b。

另外，可以只将断口8a、8b、9a和9b设在上部表面和底部表面之一上。但是，为了避免顶部和底部的方向性，按照本发明的优选实施例，是将断口8a、8b、9a和9b设在两个表面上。

辅助电极7不必是具有预定宽度的带电极，它可以只设置在与断口8b和9b对应的位置处。

按照本优选实施例，最好用尺寸约为10mm×10mm×20μm的PZT陶瓷层作为陶瓷层1a和1b，最好用厚度约为5μm-10μm的聚酰胺酰亚胺树脂作为树脂层8和9。

最好使由绝缘材料，如陶瓷和树脂制成的容器10基本成矩形的盒状，它有底壁10a和四个侧壁10b-10e。在形成树脂容器10时，可以首选使用耐热树脂，如LCP(液晶聚合物)、SPS(间同聚苯乙烯)、PPS(聚苯硫醚)和环氧树脂。在四个侧壁10b-10e的内周中，案环形布局形成阶梯10f。在两个相对的侧壁10b和10d内的阶梯10f上，露出一对端部11和12的内连接11a和12a。通过夹物模压在容器10中给出端部11和12，其中突出在容器10外面的外连接11b和12b被沿着侧壁10b和10d的外表面朝向容器10的底壁10a弯曲。按照本实施例，端部11和12的内连接11a和12a最好分别是分叉状的。这些分叉状的内连接11a和12a位于容器10的边角附近。

如图3和4所示，阶梯10f中的四个边角设有支撑部件10g，这种支撑部件设在比阶梯10f低一个阶梯的位置上，用于支撑隔膜片1的四个边角。因此，当将隔膜片1放置在支撑部件10g上时，隔膜片1的上表面基本与端部11和12的内连接11a和12a的上表面高度一致。其中支撑部件10g从平面看基本上呈三角形，并在同一圈上设置四个支撑部件10g。

另外，底壁10a设有布置于其中的第一发声孔10h。

将隔膜片1装入到容器10内，从而用弹性支撑材料13在四个位置处固定于支撑部件10g或其附近。即将弹性支撑材料13加至在断口8a中露出的主电极2与端部11的内连接11a之间，以及露出在与断口8a沿对角线相对的断口8b中的辅助电极7和端部12的内连接12a之间。剩下的彼此沿对角线相对的两个位置也被涂布有弹性支撑材料13。另外，按照纵向对准的基本成椭圆形状加给弹性支撑材料13。但是该涂布形状不限于基本为椭圆形。作为弹性支撑材料13，譬如可以使用固化后杨氏模量为3.7×10⁶Pa的氨基甲酸乙酯胶。由于该弹性支撑材料13在固化前的粘度高(比如为50-120dPa·s)，从而使得弹性支撑材料13非常难以铺展，而且，当其施加之后，弹性支撑材料13也难以通过隔膜片1和容器10之间的间隙向下流至底壁10a。在加给弹性支撑材料13之后，将其加热并固化。

另外，作为固定隔膜片1的方法，可在将隔膜片1装入容器10内之后，利用分配器等加给弹性支撑材料13，或者可以在隔膜片1已经提前涂布了弹性支撑材料13的情况下，将隔膜片1装入容器10内。

弹性支撑材料13的涂布位置可以首选尽可能靠近支撑部件10g。图3中的弹性支撑材料13被加在与支撑部件10g稍微分开的位置处。这是因为导电胶14的位置是横靠着弹性支撑材料13的。因此，当把隔膜片1的电极和内连接11a以及12a设在容器10的边角处时，也可使弹性支撑材料13的涂布位置在支撑部件10g处。

在弹性支撑材料13固化之后，最好在以基本为椭圆形加给的弹性支撑材料13上按照基本为椭圆形加给导电胶14，使之与弹性支撑材料13相交，以使主平面电极2和端部11的内连接11a连接在一起，并且也使辅助电极7和端部12的内连接12a连接在一起。作为导电胶14，比如可以使用固化后杨氏模量约为0.3×10⁹Pa的氨基甲酸乙酯导电糊。施加给导电胶14之后，对其进行加热和固化。导电胶14的形状不限于基本为椭圆形的。所述涂布形状可以是能够足以通过位于与弹性支撑材料13横靠的位置而使主平面电极2和内连接11a、以及辅助电极7和内连接12a之间进行连接的任何形状。

在加给并固化了导电胶14之后，在隔膜片1的整个外周以及容器10的内周之间的空隙涂布弹性密封剂15，从而防止隔膜片1的上部表面和底部表面之间的空气泄漏。在按照环形布局施加了弹性密封剂15之后，对其进行加热和固化。作为弹性密封剂15，例如使用固化后的杨氏模量为3.0×10⁵Pa的硅酮胶。

在如上述那样将隔膜片1固定于容器10之后，将盖板20用胶21粘接在容器10的上开口上。盖板20最好由与容器10相同的材料制成。通过粘接盖板20，就在盖板20与隔膜片1之间形成声音空间。盖板20中形成有第二发声孔22。

按照上述方式，就完成表面安装型的压电电声换能器。。

在本优选实施例的电声换能器中，当将预定的交变电压加于端部11和12之间时，隔膜片1按照面积弯曲模式振动。在与电场同方向被极化的压电陶瓷层在平面方向收缩，而在与电场相反方向被极化的压电陶瓷层在平面方向膨胀，从而整个结构沿厚度方向弯曲。

按照本实施例，由于隔膜片30是沉积的陶瓷结构，并且沿厚度方向顺次设置的两个振动区域(陶瓷层)沿彼此相反的方向振动，从而与单压电晶片型隔膜片相比，可以获得较大的位移，即较大的声压。

图7示出当隔膜片1的两侧支    撑在容器上以及当其四个边角支撑在容器上时的声音特性。根据图中清楚的显示可以理解，前者的共振频率约在1200Hz，而后者的共振频率约在800Hz，从而，因为用四个边角支撑隔膜片而使共振频率降低，另外，在所述共振频率处的声压也被提高。

图8-10表示本发明第二优选    实施例的压电电声换能器。根据这个第二优选实施例，在容器的四个边角处设置底座10i，在底座10i的上部表面上设置自其上突出的突起10j，从而使隔膜片1的边角的底部表面基本被突起10j点支撑。

在这种情况下，大大减小了隔膜片1与突起10j之间的接触面积，从而不会使振动衰减，从而使声音特性得到改善。

另外，图10中省去侧壁10c和10e中的阶梯10f。

按照本发明的第二实施例，盖板20可以在底部表面上设有突起，并与容器10的突起10j相对，从而在这些突起之间从上和下方向夹住所述隔膜片。

图11和12表示本发明第三优选实施例的压电电声换能器。

按照本优选实施例，尽管沿着外壳内侧整个周边设置阶梯10k，但是在阶梯10k的四个边角处设置向内延伸的支撑部件10l。阶梯10k和支撑部件10l高度相同。隔膜片1粘接在比该隔膜片1尺寸大的膜30上。隔膜片1的四个边角放置在支撑部件10l上，同时，不将其四侧设置成被安装在阶梯10k上。对于膜30而言，可以使用不妨碍隔膜片1弯曲振动的弹性薄膜，比如可以使用聚酰亚胺。膜30的整个周边粘接或熔融在阶梯10k以及容器10的支撑部件10l上。

在这种情况下，由于膜30起到将隔膜片1固定于容器10并且密封容器10孔隙的作用，可以省去弹性支撑材料13或导电胶14。而且不会因为涂布过多的弹性密封剂15而使隔膜片1的振动受到衰减。

另外，膜30也不限于被粘接在隔膜片1整个表面上的基本矩形，它可以是只粘接在隔膜片的周边的框形。膜30也不限于只粘接在隔膜片1的底部表面上，它可以粘接在上部表面或者两个表面上。

按照本优选实施例，为了稳定和可靠地支撑隔膜片1的四个边角，可以在盖板20的底部表面上形成凸形部件，从而可由这个凸形部件将隔膜片1的边角顶向各支撑部件101。

尽管图11和12中省去设在容器10中的端部，但它们基本与图2或图10相同。在这种情况下，可能也需要只用导电胶连接各端部的内连接和隔膜片1的各电极。

本发明不限于上述实施例，可以在本发明的精神和范围内进行改进。

通过沉积两个压电陶瓷层而制造各优选实施例的隔膜片30；或者可以通过沉积三个或多个压电陶瓷层来制造各压电隔膜片。

再有，所述压电隔膜片也不限于多层压电陶瓷层的沉积结构。可以使用将压电板在金属板的一个表面或两个表面上粘接制成的隔膜片。

本发明的端部电极不限于有如各实施例中的插入端部。这种端部电极可以是从外壳的支撑部件向外延伸的薄膜或厚膜的电极。

本发明的外壳可以是任何结构，只要它能够装入到压电隔膜片中、并能够支撑其四个边角即可，并且它不限于具有凹形截面以及将盖板如实施例所述那样粘接在其上表面的外壳，如上述各优选实施例所述那样。

尽管已经描述了本发明的各优选实施例，但是可以理解，本领域的技术人员可以在不脱离本发明范围和精神的情况下，作出各种改型和变更。因此，本发明的范围只由如下各权利要求来确定。

Claims (20)

1.一种压电电声换能器，包括：

基本为矩形的压电隔膜片，它具有电极并响应在电极之间施加的交变信号而沿板厚度方向产生弯曲振动；

外壳，具有设置于其中的压电隔膜片；其中

所述外壳设有支撑部件，用以支撑压电隔膜片的四个边角。

2.如权利要求1所述的换能器，其中，还包括：

端部电极，它具有露出于支撑部件附近的内连接和露出于外壳外表面并与所述内连接电连接的外连接；以及

导电胶；

其中所述压电隔膜片的电极和端部电极的内连接由导电胶电连接在一起。

3.如权利要求1所述的换能器，其中，还包括：

弹性密封剂，其中所述压电隔膜片的外周与所述外壳的内周之间的间隙用该弹性密封剂密封。

4.如权利要求1所述的换能器，其中，所述压电隔膜片包括至少附着在所述隔膜片外周的膜，所述压电隔膜片与外壳之间的间隙通过该膜在外壳内周中熔融或粘接而密封。

5.如权利要求1所述的换能器，其中，设在所述外壳中的支撑部件是突起，它们被布置成对所述压电隔膜片四个边角附近的点支撑。

6.如权利要求1所述的换能器，其中，所述外壳包括容器和盖板。

7.如权利要求1所述的换能器，其中，所述电极小于所述隔膜片的侧面长度。

8.如权利要求1所述的换能器，其中，所述各电极被树脂所覆盖。

9.如权利要求8所述的换能器，其中，在所述树脂中形成断口，以露出部分电极。

10.如权利要求1所述的换能器，其中，所述外壳包括四个侧壁和按环形布局设置在四个侧壁的内周上的阶梯。

11.如权利要求1所述的换能器，其中，所述外壳包括内端部和用于各内端部的内连接。

12.如权利要求1所述的换能器，其中，所述各内端部的内连接具有位于所述隔膜片边角内的分叉结构。

13.如权利要求10所述的换能器，其中，所述各支撑部件位于各阶梯内的所述隔膜片的四个边角处，并设在比所述各阶梯低的位置。

14.如权利要求11所述的换能器，其中，所述隔膜片的上部表面实质与各内端部的内连接的上部表面高度一致。

15.如权利要求1所述的换能器，其中，所述各支撑部件按平面视图实质呈三角形，并且所述各支撑部件被设在同一圆周上。

16.如权利要求1所述的换能器，其中，还包括弹性支撑材料，它被布置成用以将各支撑部件固定于所述隔膜片上。

17.如权利要求16所述的换能器，其中，所述弹性支撑材料具有纵向对准的基本上为椭圆的形状。

18.如权利要求16所述的换能器，其中，所述弹性支撑材料是固化后杨氏模量为3.7×10⁶Pa的氨基甲酸乙酯胶。

19.如权利要求1所述的换能器，其中，在所述容器的四个边角处设有多个底座，并且在各底座的上部表面设置突起，以使其自其上突出。

20.如权利要求19所述的换能器，其中，所述隔膜片的边角的底部表面实质由所述各突起点支撑。

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