CN104219609B - 一种压电发声结构及移动终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电发声结构及移动终端，涉及扬声器技术领域。该压电发声结构包括PCB板以及紧密结合于PCB板上的至少一枚压电陶瓷，压电陶瓷用于在驱动电路的驱动下通过逆压电效应产生机械形变，该形变将进一步通过与陶瓷紧密结合的PCB产生受控的机械振动；并由PCB或与PCB紧密结合的终端设备的外壳体传递振动并进一步推动空气发声。本发明同时提出一种具有上述压电发声结构的移动终端，其外壳的内侧紧密结合本发明提及的压电发声结构。本发明提供的压电发声结构，由于整个PCB板或终端结构的外壳体都可以向外辐射声波，极大的提高了声辐射效率，能在保证音量和音效的同时减小发声结构的体积。

Description

一种压电发声结构及移动终端

技术领域

本发明涉及扬声器技术领域，尤其涉及一种压电发声结构以及具有该压电发声结构的移动终端。

背景技术

随着便携式消费电子的发展，人们对便携式电子设备小型轻薄的要求越来越高，压电陶瓷扬声器以其超轻，超薄，高效，无需大音腔等特点逐渐被众多便携式消费类电子产品所青睐。便携式消费产品向着超薄轻小的方向发展，这样的系统需求对单个电子元器件提出了更薄、更小、更省电的要求。压电陶瓷扬声器因其小、薄、轻、紧凑的封装等优点，应用到越来越多的场所。

目前大多数压电扬声器的振动发声部分的基本原理为：电极接通交流电，由于逆压电效应，压电陶瓷片产生振动，带动附于其上的金属振膜发生弯曲变形，从而产生振动，进而推动空气振动，产生声压，发出声音。现有的压电陶瓷扬声器与电子产品结合应用时一般安装于电子产品外壳的内部。压电陶瓷及其金属基片与外壳结合时通常会出现以下问题:压电陶瓷及其金属基片与外壳结合时通过胶水等粘结时会出现粘结不牢，金属振膜局部振动不平衡等问题，从而导致整个发声系统的声压灵敏度降低；正、负极信号线直接焊接在压电陶瓷片上，经常会出现焊接不牢、焊点体积过大等现象从而使压电陶瓷扬声器短路或断路而无法工作；或者出现焊接不可靠导致压电陶瓷扬声器损坏等现象。

另一方面，在已有的诸多压电扬声器设计中，一般皆采用单片的压电陶瓷片直接通过形变推动空气发声；由于压电陶瓷的变形量一般很小，如果陶瓷面积小，则发声极其微弱，无法与传统扬声器相比；如果陶瓷面积大，则因为其工艺复杂，成品率极低而成本高昂，难以批量应用。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种结构简单可靠、体积小、成本低、易于制造和组装、发声效果好的压电发声结构。

本发明的再一个目的是提出一种厚度薄、可防水防尘、发声效果好的移动终端。

为达此目的，一方面，本发明采用以下技术方案：

一种压电发声结构，包括PCB板以及紧密结合于所述PCB板上的至少一枚压电陶瓷，其中，

压电陶瓷，用于在驱动电路的驱动信号激励下产生伸缩型机械形变；

PCB板，用于对所述压电陶瓷产生约束作用，所述压电陶瓷产生的所述机械形变在所述PCB板的约束作用下驱动所述PCB板产生机械振动，进而推动空气发声。

优选的，所述PCB板上设置有用于调节振动模态的一个或多个调音孔/槽。

优选的，所述PCB板上设置有焊盘，所述压电陶瓷的电极直接焊接固定于所述PCB板的焊盘上；

或者，所述压电陶瓷粘接于所述PCB板上。

优选的，所述PCB板的正面和/或背面通过焊接或粘接方式结合有所述压电陶瓷。

优选的，所述压电陶瓷为多层压电陶瓷块，所述多层压电陶瓷块的电极位于其陶瓷片的两侧。

优选的，所述压电陶瓷的电极通过SMT焊接工艺固定在所述PCB板上。

优选的，所述压电陶瓷和所述PCB板的焊盘之间通过柔性导电带连接。

优选的，焊接/粘接好压电陶瓷的PCB板表面涂覆有聚氨酯或黏贴聚酯薄膜。

优选的，所述PCB板带有驱动电路。

另一方面，本发明采用以下技术方案：

一种移动终端，所述移动终端具有外壳，并应用了上述的压电发声结构，所述压电陶瓷或所述PCB板通过粘接材料完全贴合于所述外壳的内侧面，两个相贴合的面之间没有缝隙，所述外壳可在所述压电陶瓷或所述PCB板的带动下产生弯曲振动。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的压电发声结构由PCB板和压电陶瓷紧密结合而成，压电陶瓷在驱动电路的驱动信号激励下产生伸缩型机械形变，在PCB板的约束作用下，压电陶瓷产生的机械形变驱动PCB板产生机械振动，进而推动空气发声，由于整个PCB板都会向外辐射声波，因此在保证音量的同时缩小了发声结构的体积，PCB板提供了电极连接，同时能够将压电陶瓷牢固的固定和约束住；其能够实现更好的压电形变传导，发声效果好，结构简单可靠，生产成本低，极具市场潜力，可广泛应用于手机、平板电脑、笔记本电脑、平板电视、游戏机终端等电子产品；

(2)可在PCB板上通过SMT焊接方式或粘接方式设置多个压电陶瓷，也可在PCB板的正面和背面均设置压电陶瓷，大大提高了声压的输出；

(3)该发声结构可以结合在不同的电子产品的外壳上，其结合方式为将压电陶瓷或PCB板通过粘接材料完全贴合在外壳上，其贴合面之间没有缝隙，在外壳的约束下压电陶瓷或PCB板能够产生弯曲振动而不是横向平行于外壳的振动，这样，能够将压电陶瓷或PCB板的振动最大程度地耦合并传递至整个外壳上，从而使得外壳整体向外辐射声波，进一步提高了发声效果；

(4)粘接材料可采用环氧树脂，基于当前常见的玻纤环氧复合型PCB板，能更好地将压电陶瓷产生的变形传递到设备的外壳上，并进一步由设备外壳推动空气辐射声音；

(5)采用上述压电发声结构的移动终端厚度更薄，发声效果更好，且无需设置发声孔，防水防尘效果好。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的压电发声结构的结构俯视；

图2是本发明实施例一提供的压电发声结构的剖视图；

图3是本发明实施例一压电陶瓷伸缩驱动PCB弯曲变形机理的示意图；

图4是本发明实施例一提供的多层压电陶瓷块的剖视图；

图5是本发明实施例二提供的双面贴装压电陶瓷的压电发声结构的剖视图；

图6是本发明实施例三提供的包含有驱动电路的压电发声结构的俯视图；

图7是本发明实施例四提供的基于片式压电陶瓷和导电带的压电陶瓷发声结构的爆炸图；

图8是本发明实施例五提供的移动终端的爆炸图；

图9是本发明实施例五提供的移动终端的剖视图；

图10是图9中A部分的局部放大图；

图11是本发明实施例五应用于移动终端的压电发声结构的声学曲线图。

图中，1、PCB板；2、压电陶瓷；21、陶瓷；22、电极；3、铜箔焊盘；4、焊点；5、信号铜箔线；6、信号输入焊盘；7、调音孔/槽；8、表层焊盘；9、底层焊盘；10、表层压电陶瓷片；11、底层压电陶瓷片；12、芯片；13、压电驱动线路；14、导电布；15、保护膜；16、上壳；17、背壳；18、粘接材料层。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一：

本实施例提供了一种压电发声结构，如图1和图2所示，该压电发声结构包括PCB板1以及紧密结合于PCB板1正面上的三枚压电陶瓷2。其中PCB板1上设有分别与三枚压电陶瓷2相对应的铜箔焊盘3、焊点4、信号铜箔线5和信号输入焊盘6，信号铜箔线5将信号输入焊盘6以及铜箔焊盘3依次连接。PCB板1上还开有用于调节振动模态的调音孔/槽7，调音孔/槽7可以为单个，也可以为多个，调音孔/槽7可以为圆形、方形、椭圆形等。通过改变调音孔/槽7的数量、形状及排布，可对于PCB板1的机械形变模态进行调节，从而优化声学曲线,进而优化发声效果。

其中，PCB板1为0.25～0.3mm厚度的FR4板，长宽尺寸为40mm*40mm，可采用标准的印刷电路板工艺完成；压电陶瓷2为20层长宽尺寸为3mm*5mm、厚度为0.5mm的陶瓷片封装而成的多层压电陶瓷块，其结构如图4所示，包括内部的陶瓷21以及设置于陶瓷21两侧的电极22，采用类似传统陶瓷电容器的压电陶瓷堆叠形成，这样就能方便的应用传统的具有高度自动化多层共烧陶瓷电容器(MCC),仅仅通过改变陶瓷原料配方(采用具有压电性能的陶瓷原料)来大规模低成本生产出本实施例所使用的压电陶瓷元件。

三枚压电陶瓷2的电极22通过SMT工艺焊接到PCB板1的铜箔焊盘3上，其正负极分别采用同极性并联连接，并连接到信号输入焊盘6。

该压电发声结构的工作过程为，通过信号输入焊盘6将驱动电路施加于压电陶瓷2上，如图3所示，压电陶瓷2在驱动电路的驱动下产生伸缩型机械形变，由于受到PCB板1的铜箔焊盘3与焊点4的约束，压电陶瓷2的伸缩变形将驱动PCB板1发生弯曲形变；当施加为交变电信号时，PCB板1将在压电陶瓷2的驱动下产生相应幅度的交替变形，即产生振动；PCB板1的振动，进一步可推动其表面的空气振动，发出声音。由于整个PCB板1都会向外辐射声波，因此通过PCB板1对于声辐射面积的放大，可以极大的提高声辐射效率，即可获得较高的输出声压级(SPL)和较优的发声效果。

在将压电陶瓷2与PCB板1装配时采用标准化的表面贴装自动回流焊(SMT)工艺焊接，使得应用本发明技术的产品可以大规模自动化生产，可以极大的提高产品质量稳定性，降低生产成本。

实施例二：

本实施例提供了一种压电发声结构，如图5所示，其在实施例一的基础上，采用双面贴装工艺。PCB板1的上下两侧分别布设焊盘，分别为表层焊盘8和底层焊盘9，表层焊盘8和底层焊盘9分别对应设置表层压电陶瓷片10和底层压电陶瓷片11。通过焊接工艺将两侧的压电陶瓷片的陶瓷端部电极分别与PCB板两侧的焊盘紧密相连。

本实施例的压电发声结构由于在PCB板的两侧均设置压电陶瓷，能够有效增强机械振动驱动效果，大大提高了声压的输出。

其中，本实施例中的压电陶瓷也可采用如实施例一所述的多层压电陶瓷块结构。

实施例三：

本实施例提供了一种压电发声结构，如图6所示，其结构与实施例一基本相同，包括PCB板1以及紧密结合于PCB板1上的压电陶瓷2。不同之处在于，本实施例中将压电驱动的芯片12(如TI公司的TPA2100P1)直接集成到PCB板1上，这样可以缩短压电驱动线路13，减少线路的EMI噪声；而压电元件本身与传统动圈式扬声器不同，不含电磁性元件，基本不产生EMI噪声。同时，针对不同的压电元件，驱动电路可以直接配置为最优的驱动参数(阻抗特性匹配，频率特性修正)，真正实现即插即用功能。

实施例四：

本实施例提供了一种压电发声结构，如图7所示，其包括PCB板1、压电陶瓷2、柔性导电带即导电布14(如德萨公司的TESA-60262)和PET-20um厚度的保护膜15。其中，其中，压电陶瓷2的尺寸为30mm*30mm*0.1mm，PCB板1的尺寸为40mm*40mm*0.27mm。

该压电发声结构的装配过程为，首先将压电陶瓷2与PCB板1粘接，胶层厚度在5～10um；然后将两条2mm*5mm的导电布14与压电陶瓷2表面的正负电极分别连接到PCB板1的正负极焊盘上，轻轻按压后即可实现压电陶瓷2与PCB板1上铜箔焊盘的导通，最后，在粘接好压电陶瓷2的PCB板上覆盖保护膜15，使得压电陶瓷2表面的电极以及导电布14完全被覆盖，从而隔绝空气、水份以及灰尘。本方案适合于对压电发声模块厚度尺寸要求较高的应用，可以实现总体厚度<0.4mm(压电陶瓷2厚度为0.1mm，PCB板1厚度为0.27mm，胶层和保护膜15厚度分别为0.01mm和0.02mm)。此压电发声结构可以直接应用于手机、平板电脑等电子终端。

此外，也可通过在粘接好压电陶瓷的PCB板表面涂覆聚氨酯的方式形成保护膜。

实施例五：

本实施例提供了一种移动终端，其具有如实施例一至实施例四任一所述的压电发声结构。此处以实施例四所述的压电发声结构应用于手机为例进行描述。如图8至图10所示，该手机包括上壳16、背壳17以及设置于背壳17内侧的压电发声结构。背壳的材质为0.5mm厚的304不锈钢。压电发声结构包括PCB板1、压电陶瓷2、导电布14和保护膜15。PCB板1通过粘接材料(如E-120HP环氧树脂)完全贴合于背壳17的内侧面上，粘接材料层18厚度约为10um～20um；两个相贴合的面之间通过胶层紧密连接，且贴合面之间没有缝隙，在背壳17的约束下，PCB板能够产生弯曲振动而不是横向平行于背壳17的振动，这样，能够将PCB板的振动最大程度地耦合并传递至整个背壳17上，从而使得背壳17整体向外辐射声波，进一步提高了发声效果。相比PCB板40mm*40mm的尺寸，手机背壳17的尺寸为50mm*105mm；在压电陶瓷2和PCB板1构成的压电发声结构驱动下，背壳17的谐振频率可以进一步降低。

在本实施例中，如图11所示，压电发声结构的谐振频率约为1200Hz，而和手机背壳结合后，谐振频率下降为700Hz，可获得较好的低音重放效果。此外由于整个外壳均向外辐射声波,声波有效辐射面积比单片陶瓷直接辐射声波的方式提高了约5倍，相应的可以提高了声压输出约14dB。

相比传统微型动圈式扬声器3～4mm的厚度，本发明对应的压电发声结构典型的厚度为0.4mm，只有传统厚度的1/10；因此采用上述的压电发声结构能够使得移动终端的厚度更薄，发声效果更好，且应用本发明对应的压电发声结构后，终端的外壳直接作为发声源，无需设置发声孔，有利于在在终端上实现防水防尘。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种压电发声结构，其特征在于：包括PCB板(1)以及紧密结合于所述PCB板(1)上的至少一枚压电陶瓷(2)，其中，

压电陶瓷(2)，用于在驱动电路的驱动信号激励下产生伸缩型机械形变；

PCB板(1)，用于对所述压电陶瓷(2)产生约束作用，所述压电陶瓷(2)产生的所述机械形变在所述PCB板(1)的约束作用下驱动所述PCB板(1)产生机械振动，进而推动空气发声；

所述PCB板(1)上设置有用于调节振动模态的一个或多个调音孔/槽(7)。

2.根据权利要求1所述的一种压电发声结构，其特征在于：所述PCB板上设置有焊盘，所述压电陶瓷(2)的电极直接焊接固定于所述PCB板(1)的焊盘上；

或者，所述压电陶瓷(2)粘接于所述PCB板(1)上。

3.根据权利要求2所述的一种压电发声结构，其特征在于：所述PCB板(1)的正面和/或背面通过焊接或粘接方式结合有所述压电陶瓷(2、10、11)。

4.根据权利要求3所述的一种压电发声结构，其特征在于：所述压电陶瓷(2、10、11)为多层压电陶瓷块，所述多层压电陶瓷块的电极(22)位于其陶瓷(21)的两侧。

5.根据权利要求2至4任一项所述的一种压电发声结构，其特征在于：所述压电陶瓷(2)的电极通过SMT焊接工艺固定在所述PCB板(1)上。

6.根据权利要求1所述的一种压电发声结构，其特征在于：所述压电陶瓷(2)和所述PCB板(1)的焊盘之间通过柔性导电带(14)连接。

7.根据权利要求2所述的一种压电发声结构，其特征在于：焊接/粘接好压电陶瓷(2)的PCB板(1)表面涂覆有聚氨酯或黏贴聚酯薄膜(15)。

8.根据权利要求1所述的一种压电发声结构，其特征在于：所述PCB板(1)带有所述驱动电路。

9.一种移动终端，其特征在于：所述移动终端具有外壳，并应用了权利要求1至8中任意组合项所述的压电发声结构，所述压电陶瓷(2)或所述PCB板(1)通过粘接材料完全贴合于所述外壳(17)的内侧面，两个相贴合的面之间没有缝隙，所述外壳(17)可在所述压电陶瓷(2)或所述PCB板(1)的带动下产生弯曲振动。