CN101588528A - 新型声电转换器及一种传声器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一类新型声电转换器及传声器。该传声器包括外壳、线路板组件和声电转换器，声电转换器包括基材和声电转换单元，声电转换单元为缠绕在基材上的压电膜，所述压电膜包括多孔聚合物薄膜和金属层；多孔聚合物薄膜具有若干两端带电的气泡，其上下介质表面层中束缚着若干等量异种电荷，且指向多孔聚合物薄膜上下表面；金属层为蒸镀在多孔聚合物薄膜上下表面的金属层；压电膜缠绕的层数为一层或一层以上。采用本发明技术方案的声电转换器和传声器，由于采用多孔聚合物压电薄膜作为声电转换单元，其具有更高的压电系数及电荷稳定性；且厚度可以很薄，易于满足小尺寸应用需要，零件数目少、制造工艺简单，成本低廉；材料来源广泛，材料成本低。

Description

新型声电转换器及一种传声器

技术领域

本发明涉及声换能技术领域，具体涉及一类新型声电转换器及一种传声器。

背景技术

传声器是一种把将声信号转换为电信号的换能器件，其核心是声电转换器。目前的电声领域内，传声器与扬声器大多采用电容式或动圈式结构，其典型例子为驻极体电容式传声器与动圈式扬声器。这两种结构，其零件均需要精密加工，组装时的公差配合也要求十分严谨。在当代便携式设备越来越小型化的趋势下，造成零件的加工难度与组装精度极大提高，甚至到达一个性能与结构瓶颈的地步；同时，精密配合的电声器件，在恶劣条件下工作的可靠性也受到质疑。对于传声器来讲，驻极体电容式结构需要较大的空气共振腔，其传声器的体积无法做到很小；且传声器的灵敏度等电声性能，受到驻极体电荷稳定性与空气共振腔等声学结构的影响，对性能的提升造成天然的瓶颈。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一类不需要精密加工而尺寸较小结构简单的新型声电转换器，以及一种结构简单、不需要精密加工的传声器。为了解决上述新型声电转换器的技术问题，本发明采用如下技术方案：新型声电转换器，包括基材和声电转换单元，所述声电转换单元为缠绕在所述基材上的压电膜，所述压电膜包括多孔聚合物薄膜和金属层；所述多孔聚合物薄膜具有若干封闭的孔洞结构，每个孔洞结构的上下介质表面层中束缚着若干等量异种电荷，且指向多孔聚合物薄膜上下表面；所述金属层蒸镀在多孔聚合物薄膜的上下表面。

优选的技术方案中，所述基材为铜环，所述压电膜卷绕在所述铜环上，卷绕的层数为一层或一层以上。

优选的技术方案中，所述基材为管芯，所述新型声电转换器还包括接地连接器；所述管芯具有栅极、信号端和接地端；所述压电膜卷绕在管芯外围，卷绕的层数为一层或一层以上；压电膜的内表面与所述栅极电连接，外表面通过所述接地连接器与管芯的接地端电连接。卷绕层数为多于一层时可以构成串联或者并联，从而提高压电膜的灵敏度。

优选的技术方案中，所述基材为线材，所述新型声电转换器还包括接地连接器，所述接地连接器为接地环或者导电胶；所述线材至少包括并行排布的一根信号线和一根接地线，信号线和接地线外围包裹有绝缘材料；所述压电膜卷绕在线材的外围，卷绕的层数为一层或一层以上，且卷绕压电膜的那一段信号线上的绝缘材料被去除(或者所包裹的绝缘材料被去除)，以使得压电膜的内表面与信号线电连接；所述压电膜的外表面通过接地环或者导电胶与接地线电连接。卷绕层数为多于一层时可以构成串联或者并联，从而提高压电膜的灵敏度。

为了解决上述传声器的技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种传声器，包括外壳、线路板组件和新型声电转换器，所述外壳配合线路板组件的线路板将声电转换器封闭在外壳内，所述新型声电转换器与线路板电连接；所述新型声电转换器包括基材和声电转换单元；所述声电转换单元为缠绕在所述基材上的压电膜，所述压电膜包括多孔聚合物薄膜和金属层；所述多孔聚合物薄膜具有若干封闭的孔洞结构，每个孔洞结构的上下介质表面层中束缚着若干等量异种电荷，且指向多孔聚合物薄膜上下表面；所述金属层蒸镀在多孔聚合物薄膜的上下表面。

优选的技术方案中，所述基材为铜环，所述压电膜卷绕在所述铜环上，卷绕的层数为一层或一层以上。卷绕层数为多于一层时可以构成串联或者并联，从而提高压电膜的灵敏度。

优选的技术方案中，所述铜环通过外壳与线路板的“地”端电连接，所述压电膜的外表面通过导电胶或者锡膏与线路板上设置的，作为信号输入端的信号焊盘电连接。

优选的技术方案中，所述线路板上开设有凹槽，所述凹槽的直径略大于铜环的外径，所述铜环立于所述凹槽中。

优选的技术方案中，所述凹槽还有第二级阶梯槽，所述第二级阶梯槽的直径略大于声电转换器外径。

进一步优选的技术方案中，所述外壳的侧面开设有入声孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

由于采用多孔聚合物压电薄膜作为声电转换单元，其具有更高的压电系数及电荷稳定性，且厚度可以很薄，易于满足小尺寸应用领域的需要。材料来源广泛，制造成本低。

由于进一步设置了铜环，方便采用传统卷边工艺构成传声器，且方便声电转换器与传声器的电路板和外壳可靠电连接。

由于将声电转换单元直接缠绕在管芯外面，声电转换器可以作为插接件直接装配到客户端电路板上。采用本结构声电转换器的传声器，能做到很小的体积，甚至达到芯片的尺寸级别；同时一体化的设计减少了零件数量，使元件的安装更加简单化。

由于将声电转换单元缠绕在线材外围，构成柔性结构的声电转换器，可灵活设计于产品中：特别是在新的工业设计中，易于实现便携式数码设备与衣物、饰品等的一体化设计，具有革命性的创新意义。

由于传声器采用多孔聚合物压电薄膜作为声电转换单元，其具有更高的压电系数及电荷稳定性，且厚度可以很薄，易于满足小尺寸应用领域的需要。材料来源广泛，制造成本低。本发明的传声器利用压电效应进行声电变换，取消了空气共振腔的设计，大大减小了传声器的体积。同时，由于取消了电容式的声电变换结构，使零件数目减少，制造工艺简单化，成本低廉。

由于在线路板上设置了凹槽，便于装配时对声电转换器定位；且凹槽的尺寸略大于铜环的尺寸，便于在铜环和线路板之间点上胶水，以固定声电转换器，且浇水不宜溢出而突出线路板表面。

由于进一步的将凹槽开设第二级阶梯槽，可以使得卷绕在铜环外围的压电膜一部分进入凹槽，减小传声器的厚度；且可进一步保证胶水不易溢出。

由于在外壳侧面开设入声孔，可以保证声波更好的进入传声器而作用于声电转换单元。

附图说明

图1是本发明具体实施方式一新型声电转换器的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式一中声电转换单元的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式一中声电转换单元串、并联的结构示意图；

其中图3a为并联的结构示意图，图3b为串联的结构示意图；

图4是本发明具体实施方式一中传声器的结构示意图；

图5是本发明具体实施方式二新型声电转换器的结构示意图；

图6是本发明现有技术中传统线控传声器的结构示意图；

图7是本发明具体实施方式三新型声电转换器的结构示意图；

图8是图7中A局部的局部放大图。

具体实施方式

下面对照附图并结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

具体实施方式一

本具体实施方式的声电转换器如图1所示，包括一个铜环1和声电转换单元。声电转换单元为缠绕在铜环1外围的压电膜2，缠绕的层数为一层或者一层以上。所述压电膜2为多孔聚合物压电薄膜切割制作而成，其结构如图2所示，包括一层多孔聚合物压电薄膜20，以及覆着在多孔聚合物压电薄膜20的金属层22。多孔聚合物压电薄膜20内含多个封闭的孔洞结构21，且每个孔洞结构21靠近多孔聚合物压电薄膜20上表面的一端带正电，靠近下表面的一端则带负电。金属层22为采用蒸镀工艺在多孔聚合物压电薄膜20上下表面上蒸镀上的一层金属。本具体实施方式中，上面的那层金属层22带负电，下面的那层金属层22带正电。

由于多孔聚合物压电薄膜20的两面蒸镀有导电金属层22，且其缠绕在铜环1上，故其一面与铜环1可以很好的电信连接。使用时将铜环1作为声电转换器的一极，压电膜2的外表面作为声电转换器的另一极与后续的放大电路等后续电路电连接。当声波作用于所述压电膜2时，压电膜2将声音信号转换为电信号，然后可传输给后续的放大电路等进行进一步处理。

所述多孔聚合物压电膜由一种新兴的压电材料制成，其制造方法简述如下：采用聚丙烯(PP)或聚四氟乙烯(PTFE)或其它聚合物薄膜，在高温高压的条件下迅速失压，膨化形成多孔聚合物薄膜20。多孔聚合物薄膜20中具有若干封闭的孔洞结构21，然后在得到的多孔聚合物薄膜20的上下两面蒸镀导电金属层22；再采用电晕充电或电子束充电的方法，使多孔聚合物薄膜20内部的孔洞结构21的气体发生帕邢(Paschen)击穿，从而使孔洞结构21两端带电形成类似于偶极分子那样的电荷泡，就得到了多孔聚合物压电薄膜。使用时可以根据需要将多孔聚合物压电薄膜切割成合适的形状和大小即成本实施例中的压电膜2。根据需要也可以将n层(n≥2)多孔聚合物压电薄膜叠合起来，形成复合多孔聚合物压电薄膜，则其每层多孔聚合物压电薄膜的电学特性串联或并联连结，串联和并联的结构如图3所示。并联的目的在于增加电量，最终目的在于提高压电系数，提高灵敏度。并联的结构如图3a所示，由图3a可见，并联实际相当于增大了膜片的面积，等效于电容器的并联。

串联的目的在于增加膜片的厚度，最终目的在于提高压电系数。串联的结构如图3b所示，由图3b可见，不难理解串联连接时的灵敏度为单层的多孔聚合物压电薄膜的n倍。然后同样可将复合多孔聚合物压电薄膜切割成合适的形状和大小即成本实施例中的压电膜2，这样可以显著增强声电转换器的灵敏度。

多孔聚合物压电薄膜具有内部电荷稳定、不容易丢失的优点，更为重要的是其能达到非常高的压电系数，比PVDF铁电聚合物及其共聚物的压电活性高一个数量级；其次，薄膜的厚度可以做到很小，易于满足对几何尺寸的要求，且原料的来源广泛，材料成本与加工制备均较压电陶瓷与铁电单晶材料容易许多。本具体实施方式中采用聚四氟乙烯或者聚丙烯压电复合膜制成多孔聚合物压电薄膜，其具有更高温度下的电荷稳定性。

本具体实施方式的压电传声器，其结构如图4所示，包括：外壳3、声电转换器和线路板组件。线路板组件包括线路板6以及贴装于其上的阻抗变换器7和电容电阻等元件8。外壳3与传统的驻极体电容式传声器的外壳类似，为金属材料制成的桶形结构。外壳3开口处采用传统的卷边工艺封装，通过卷边5作用于线路板组件的线路板6，将声电转换器以及线路板组件上的电子元器件封装在外壳3与电路板6形成的腔体内。

声电转换器包括铜环1和缠绕在铜环1外围的压电膜2。因为卷边5，声电转换器被线路板6压紧在线路板6和外壳3的底部之间，使得铜环1可以与外壳3可靠电连接。为了使得传声器具有较好的抗电磁干扰能力，一般采用金属材质的外壳3进行屏蔽，并且要使得外壳3接地。本具体实施方式的外壳3采用铜、铝等具有良好导电性能的材料制成，并且与线路板6上的“地”电连接。

为节省空间，本具体实施方式中，线路板6上的阻抗变换器7和电容电阻等元件8设置在铜环1中的线路板6上。与传统外壳的不同之处在于，本具体实施方式中外壳3上的入声孔4开设在外壳3的侧面，而不是开设在外壳4的底部或者电路板6上，此种方式可以方便声波更好的作用于压电膜2。

线路板6的相应位置设置了与铜环1电连接的接地焊盘11。同时在线路板6上设置了信号焊盘13，通过导电胶或者锡膏9使得压电膜2与线路板6信号连接。本具体实施方式的压电传声器，其声电转换器中的压电膜2一面通过铜环1与线路板6信号连接，或者通过外壳3连接线路板6的“地”端。压电膜2的另一面通过导电胶或者锡膏9与信号焊盘13信号连接，输出信号给线路板6进行进一步处理。

装配时先采用印刷电路板工艺制成线路板6，然后采用贴片工艺在线路板6上贴装上阻抗变换器7、电容电阻等元件8，形成线路板组件。然后在铜环1上按预定规格缠绕上压电膜2，形成声电转换器。再将声电转换器通过导电胶或者锡膏9固定在线路板组件上，并使得声电转换器通过导电胶或者锡膏9与电路板6上的信号焊盘13电连接，通过铜环1与线路板6上的接地焊盘11电连接。

为了避免铜环1在外壳3内晃动，造成接触不良，可在铜环1放到线路板6上的接地焊盘11上之后，在铜环1外围，铜环1和线路板6之间的位置点上胶水使其固定。本具体实施方式为了装配方便，还在制作线路板6时在线路板6上铣出了凹槽10，方便铜环1定位。该凹槽10可略大于铜环1的外径，在凹槽10和铜环1之间形成一定间隙，便于控制点胶时胶水的流动。

为了降低压电传声器的厚度，优选的技术方案中，所述凹槽10具有第二级阶梯槽。其第二级阶梯槽的尺寸略大于压电膜2转绕后形成的外径，以使得压电膜2的一部分可以伸入凹槽10中，从而可降低压电传声器的厚度。此外，由于凹槽10具有两级，在其第二级阶梯槽与铜环1之间点胶后，即使有少量胶水溢出，溢出的胶水也不容易高出线路板6的表面，因而工艺性能更好。

使用时可以在铜环1上缠绕上单层多孔聚合物压电薄膜，也可以根据需要，缠绕上两层甚至多层多孔聚合物压电薄膜。此种结构的声电转换器，相当于其每层多孔聚合物压电薄膜输出的信号串联，声电转换器的灵敏度为单层多孔聚合物压电薄膜的n倍，电容量与共振频率为单层多孔聚合物压电薄膜的1/n倍。而且由于多孔聚合物压电薄膜式连续缠绕，因此可以对参数连续调节，层数并不局限于整数，因此大大提高了设计者的灵活性，以及生产工艺调整的可操作性。

压电膜2所采用的新材料，符合电子行业的环保要求。产生压电效应时，电荷附着在多孔聚合物压电膜内部的孔上，稳定性高于电荷附着于膜表面的普通驻极体。采用本结构的压电传声器，结构简单，性能稳定：该结构的几何形状为最优化设计，其接受声音的面积大，从而提高灵敏度；取消了电容式麦克风的空气共振腔等声学设计，降低了传声器的整体高度，满足手机等移动通讯设备对厚度的要求；减少了成品零件数目，简化了制造工艺，降低了成本。

压电式驻极体传声器利用压电效应进行声电变换，取消了空气共振腔的设计，大大减小了传声器的体积；在性能上，压电材料的力电/声电转换性能稳定(在多孔聚合物压电薄膜上表现为，薄膜内部的电荷稳定、不容易丢失)；同时，由于取消了电容式的声电变换结构，使零件数目减少，制造工艺简单化，成本低廉。压电驻极体电声器件利用压电效应进行声电/电声变换，其声电/电声转换器为一片30至80微米厚的多孔聚合物压电驻极体薄膜，相对电容式/动圈式等结构复杂且精度要求极高的零件配合设计，大大减小了电声器件的体积；同时，零件数目大为减少，可靠性也得到保证。

具体实施方式二

本具体实施方式的微型声电转换器件，如图5所示，包括：管芯15和声电转换单元，声电转换单元用于将声音信号转换成电信号，而管芯15用于将所述电信号进行初级放大。所述管芯15具有用作信号输入端的栅极16，用于输出信号的信号输出端18以及接地端17。所述声电转换单元为缠绕在管芯15外围的压电膜2。所述压电膜2的一面与栅极16信号连接，另一面与接地端17信号连接。本具体实施方式中压电膜2的外表面通过接地连接器14与管芯15的接地端17连接。

当外界声波作用于所述压电膜，压电膜因为压电效应在压电膜2上下表面之间产生电荷，则可以在管芯15的栅极16和接地端17之间产生电信号，从而将声音信号转换成了电信号。此电信号经过管芯15放大之后由信号输出端18提供给后续电路。该微型声电转换器件可以作为插接件装配到客户端电路板上。采用本结构的传声器，能做到很小的体积，甚至达到芯片的尺寸级别；同时一体化的设计减少了零件数量，使元件的安装更加简单化。

具体实施方式三

传统的线控如图6所示，包括线材以及处于线材某处的线控盒33。传声器32设置于所述线控盒33之中。线材至少包括并行排布的一根接地线30和一根信号线31。传声器32与接地线30、信号线31分别电连接。

本具体实施方式的柔性声电转换器，如图7和图8所示，包括：线材以及声电转换单元。其中线材至少包括并行排布的一根信号线31和一根接地线30，且信号线和接地线之间有绝缘材料保持两者之间的绝缘；而声电转换单元包括接地环34和压电膜2。压电膜2缠绕在所述线材外围，且缠绕压电膜2的那一段信号线31，其表面没有绝缘材料。压电膜2的两个表面均具有导电性，其卷绕后位于里面的表面本文称为第一表面，由于该第一表面与信号线31接触，且该处的信号线31表面没有绝缘材料，从而使得信号线31与压电膜2的第一表面信号连接。

接地环34位于压电膜2的一端，压电膜2的另一面通过所述接地环34与接地线30信号连接。当外界声波作用于缠绕在线材上的压电膜2时，压电膜2就会因为压电效应在信号线31和接地线30之间产生电信号，从而将声音信号转换成了电信号。此电信号可通过信号线31和接地线30传递给后续的电路，进行放大等处理。当然，接地线30与压电膜2之间也可以不采用接地环34，而采用导电胶连接，则可以进一步减小局部的尺寸。

更加具体的应用比如，采用以上柔性传声器的线控耳机，可利用设备上现有资源，将传声器附着于耳机的线材上，使传声器不用安装于耳机线控处，从而减少零部件的数量，降低模具成本。更为重要的是，对于带有液晶显示屏的高档线控可视耳机，为了便于操作，一般需要将线控设计在离耳机较远的位置，以方便操作和眼睛观看；但是为了使传声器更靠近使用者的嘴巴，以获得最好的声电转换效果，又不希望传声器离耳机太远；而本技术则可以将柔性传声器设置在线控和耳机之间的适当部位，从而很好的解决了以上问题。此设计为柔性结构，可灵活设计于产品中：特别是在新的工业设计中，易于实现便携式数码设备与衣物、饰品等的一体化设计，具有革命性的创新意义。

本具体实施方式的声电转换器，包括线材以及声电转换单元。其中线材包括并行排布的信号线和接地线，信号线和接地线之间有绝缘材料保持两者之间的绝缘；而声电转换单元包括接地环和压电膜。压电膜缠绕在所述线材外围，特点在于，缠绕压电膜的那一段信号线，其表面没有绝缘材料，从而使得信号线与压电膜的一面信号连接。接地环位于压电膜的一端，压电膜的另一面通过所述接地环与接地线信号连接。当外界声波作用于缠绕在线材上的压电膜时，压电膜就会因为压电效应在信号线和接地线之间产生电信号，从而将声音信号转换成了电信号。此电信号可通过信号线和接地线传递给后续的电路，进行放大等处理。当然，接地线与压电膜之间也可以不采用接地环，而采用导电胶连接，则可以进一步减小局部的尺寸。此设计为柔性结构，可灵活设计于产品中：特别是在新的工业设计中，易于实现便携式数码设备与衣物、饰品等的一体化设计，具有革命性的创新意义。更加具体的应用比如，采用以上柔性传声器的线控耳机，可利用设备上现有资源，将传声器附着于耳机的线材上，使传声器不用安装于耳机线控处，从而减少零部件的数量，降低模具成本。更为重要的是，对于高档的线控可视耳机，为了便于操作，一般需要将线控设计在离耳机较远的位置，以方便操作和眼睛观看；但是为了使传声器更靠近使用者的嘴巴，以获得最好的声电转换效果，又不希望传声器离耳机太远；而本技术则可以将柔性传声器设置在线控和耳机之间的适当部位，从而很好的解决了以上问题。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1、新型声电转换器，所述新型声电转换器包括基材和声电转换单元，其特征在于，所述声电转换单元为缠绕在所述基材上的压电膜，所述压电膜包括多孔聚合物薄膜和金属层；所述多孔聚合物薄膜具有若干封闭的孔洞结构，每个孔洞结构的上下介质表面层中束缚着若干等量异种电荷，且指向多孔聚合物薄膜上下表面；所述金属层蒸镀在多孔聚合物薄膜的上下表面。

2、如权利要求1所述的新型声电转换器，其特征在于，所述基材为铜环，所述压电膜卷绕在所述铜环上，卷绕的层数为一层或一层以上。

3、如权利要求1所述的新型声电转换器，其特征在于，所述基材为管芯，所述新型声电转换器还包括接地连接器；所述管芯具有栅极、信号端和接地端；所述压电膜卷绕在管芯外围，卷绕的层数为一层或一层以上；压电膜的内表面与所述栅极电连接，外表面通过所述接地连接器与管芯的接地端电连接。

4、如权利要求1所述的新型声电转换器，其特征在于，所述基材为线材，所述新型声电转换器还包括接地连接器，所述接地连接器为接地环或者导电胶；所述线材至少包括并行排布的一根信号线和一根接地线，信号线和接地线外围包裹有绝缘材料；所述压电膜卷绕在线材的外围，卷绕的层数为一层或一层以上，且卷绕压电膜的那一段信号线上的绝缘材料被去除，以使得压电膜的内表面与信号线电连接；所述压电膜的外表面通过接地环或者导电胶与接地线电连接。

5、一种传声器，包括外壳、线路板组件和新型声电转换器，所述外壳配合线路板组件的线路板将声电转换器封闭在外壳内，所述新型声电转换器与线路板电连接；所述新型声电转换器包括基材和声电转换单元，其特征在于，所述声电转换单元为缠绕在所述基材上的压电膜，所述压电膜包括多孔聚合物薄膜和金属层；所述多孔聚合物薄膜具有若干封闭的孔洞结构，每个孔洞结构的上下介质表面层中束缚着若干等量异种电荷，且指向多孔聚合物薄膜上下表面；所述金属层蒸镀在多孔聚合物薄膜的上下表面。

6、如权利要求5所述的一种传声器，其特征在于，所述基材为铜环，所述压电膜卷绕在所述铜环上，卷绕的层数为一层或一层以上。

7、如权利要求6所述的一种传声器，其特征在于，所述铜环通过外壳与线路板的“地”端电连接，所述压电膜的外表面通过导电胶或者锡膏与线路板上设置的信号输入端电连接。

8、如权利要求7所述的一种传声器，其特征在于，所述线路板上开设有凹槽，所述凹槽的直径略大于铜环的外径，所述铜环立于所述凹槽中。

9、如权利要求8所述的一种传声器，其特征在于，所述凹槽还有第二级阶梯槽，所述第二级阶梯槽的直径略大于声电转换器外径。

10、如权利要求5至9中任意一项所述的一种传声器，其特征在于，所述外壳的侧面开设有入声孔。

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