CN109076289A - 声学膜 - Google Patents

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Abstract

一种声学膜(100)，其包括至少三个层，其具有第一外层(101)和第二外层(102)，其中第一和第二外层(101、102)由热塑性弹性体形成，其中形成第一外层的热塑性弹性体和形成第二外层的热塑性弹性体彼此独立地选自由聚酯弹性体、共聚酯弹性体、苯乙烯嵌段共聚物、弹性共聚酰胺、热塑性硅树脂和弹性体聚烯烃组成的组，优选为共聚酯弹性体。

Description

声学膜
技术领域
本发明涉及具有第一外层和第二外层的声学膜，以及包括这种声学膜的声学装置。
背景技术
电磁换能器用于各种类型的扬声器和麦克风，特别是用于在移动电话、笔记本电脑、平板电脑、游戏机、耳机、免提扬声器电话、现代电视中应用的微型扬声器以及也用于汽车领域中。
一般的市场趋势表明，这种扬声器的结构形状不允许均匀的设计，并且需要制造商的极大灵活性。另外，通常需要具有最大性能的最小结构形状。然而，对声学质量的要求最高。所有这些要求对分别用作扬声器或麦克风的核心部件的膜施加了巨大的技术要求。
为了满足这些要求，微型扬声器的制造商采用多功能层状膜作为隔膜材料，也称为声学膜。
EP 2 268 058公开了弹性膜(即杨氏模量低于100MPa)用于扬声器膜的用途。
WO 2015/052316公开了用于声学装置的膜，其包含通过挤出产生的热塑性弹性体。还公开了用于产生多层布置的方法，其中至少一个层是热塑性弹性体，另一个层是化学上不同的热塑性材料。
WO 2014/13562公开了五层的膜，其中热塑性弹性体被建议作为在表面形成层下面的胶层。
WO 2008/056286公开了用于声学装置的多层膜，其中使用了热塑性材料。面向表面的外膜优选是较软的材料，该较软的材料可以熔化并用于建立与声学装置的其它部件的直接连接。优选地，一个层是刚性的，例如为聚碳酸酯，另一个层是较软的材料，例如为PU。热塑性弹性体被认为是特别合适的。
DE 10 2008 010298公开了用于声学装置的具有三个层的膜，其中外部材料是聚酰亚胺(即PEI)，中心层是PET膜或PBT膜。讨论了PEI优选作为外部材料，因为与中心层的材料相比，PEI的玻璃化转变温度更高，这导致耐热性增加。
US 2015/0312660公开了具有三个层的多层布置，其中粘合剂材料的中间层嵌入两层彼此不同的热塑性材料中。示例性地公开了PEEK和PEI作为外部材料。认为三个层和不对称结构比5层对称布置有益。
WO 2015/180289公开了多层布置，其中至少一个所谓的表面层具有两个层：基础层是PEEK、聚芳酯、PET、PEI，增强层是热塑性聚氨酯弹性体或热塑性弹性体。在附图之一(图1)中，弹性体增强层形成该布置的外部部分。中间层是粘合剂，例如丙烯酸粘合剂材料。
WO 2015/027715提出了具有三层布置的声学膜，其中外部PEEK层通过是无定形PEEK或结晶PEEK而彼此不同。中心层可以是PU。
CN 103738020公开了一种振动隔膜，其中公开了一种特定的硅胶体系，以在两层聚合物材料(如PEEK、PEN、PA、PC)之间形成粘合剂层。
CN 202652511公开了一种五层膜。将中心PET层层压在两层丙烯酸凝胶内，然后将外聚合物层层压在每一侧上。公开了PEI、PEN、PEEK和PPS作为外聚合物层的材料。
CN 203446015公开了一种复合振动膜，其具有中心基层，中心基层是PET材料，例如PBT，中心基层一侧覆盖有聚醚醚酮(PEEK)层，另一侧覆盖有热塑性聚氨酯(TPU)层。在具有五层的实施方案中，两个胶层介于基层和表面层之间。
然而，特别是在微型应用领域中，处理小膜组件和声学膜的材料失效是一个问题。需要具有允许廉价生产的材料的替代的坚固膜。特别是PEEK，它是已建立的声学复合膜中的优选材料，具有高的材料成本。
发明内容
本发明提供了一种声学膜，其包括至少三个层，其具有第一外层和第二外层，其特征在于，第一外层和第二外层由热塑性弹性体形成，其中形成第一外层的热塑性弹性体和形成第二外层的热塑性弹性体彼此独立地选自由聚酯弹性体、共聚酯弹性体、苯乙烯嵌段共聚物、弹性共聚酰胺、热塑性硅树脂(silicone)和弹性体聚烯烃组成的组，优选为共聚酯弹性体。
发明人惊奇地发现，通过使用热塑性弹性体作为外层，直到在循环载荷下断裂的寿命可以增加(在模拟表面损伤的疲劳行为的表征期间至失效时超过106个循环)。不希望受理论束缚，一方面该观察的原因可能是与现有技术的具有由弹性较小的热塑性材料(诸如例如PEEK或PEI)制成的外层的膜相比，弹性外层减少了裂纹扩展和裂纹增长。另一方面，据信弹性外层可防止例如声学装置的加工和构建期间的表面损伤，从而防止裂纹萌生。因此，根据本发明的声学膜具有更长的寿命。
多层布置(即外层的热塑性弹性体与中心的较硬聚合物层和外层与中心层之间的阻尼材料组合)中的弹性外层的另一个优点与弹性单层膜的膜相比的增加的阻尼。良好的阻尼性能改善了具有根据本发明的膜的声学装置的声音特性。
术语“声学膜”应理解为可用作扬声器振膜或麦克风振膜中的振动组件的膜或层状结构的同义词。如所指出的，根据本发明的声学膜是包括至少三个层的多层膜。叠加层基本上在相同区域上延伸。由膜形成的区域，即膜的二维延伸本身可以是可变的。膜的高度或厚度由所包含的层的贡献限定。
术语“外层”定义了表面暴露的那些层，即表面所形成的那些层。外层形成声学膜的上侧或下侧。这些层形成膜的外部部分。或者，它们可被称为面漆(top coat)或涂层。相反，内层在其上侧和下侧与相邻层直接接触。内层仅在膜的边缘面向周围环境。
术语“热塑性弹性体”是指结合热塑性材料和弹性材料的性质的材料。因此，作为橡胶，它们显示出高弹性，作为热塑性聚合物，它们可以可逆地熔融。术语TPE通常用于指热塑性弹性体。
与使用其它橡胶或硅树脂材料相比，使用热塑性弹性体具有优势。本发明的发明人先前开发了一种制备用于声学应用的膜的方法，其中通过挤出将热塑性弹性体成形为膜(WO 2015/052316)。此外，根据本发明的多层膜的制备可以通过共挤出来实现。因此，可获得根据本发明的声学膜的经济的制备方法。
根据本发明，外层由具有弹性体性质的热塑性材料形成，即具有弹性体性质的热塑性材料彼此选自由聚酯弹性体、共聚酯弹性体、苯乙烯嵌段共聚物、弹性共聚酰胺、热塑性硅树脂和弹性体聚烯烃组成的组。因此，外层材料比声学膜中使用的其它热塑性材料更具弹性，其它热塑性材料如PAEK(聚芳醚酮)、例如PEEK(聚醚醚酮)、PEI(聚醚酰亚胺)、PAR(聚芳酯)、改性PAR类型、PC(聚碳酸酯)、PA(聚酰胺)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PPSU(聚苯砜)、PES(聚醚砜)和PSU(聚砜)。定量弹性可以通过杨氏模量来确定。适用于根据本发明的声学膜的外层的热塑性弹性体具有低杨氏模量。
在一个实施方案中，根据本发明的声学膜的特征在于，第一外层和第二外层中的至少一个由具有低于500MPa、优选低于200MPa的杨氏模量的热塑性弹性体形成。
根据该实施方案，杨氏模量可根据EN ISO 527进行测量。具有低于500MPa、优选低于200MPa的杨氏模量的热塑性弹性体优选形成外层，其中杨氏模量在室温下进行测量。还可以应用具有低于100MPa或甚至低于20MPa的杨氏模量的热塑性弹性体。或者，热塑性弹性体的特征在于硬度计硬度应低于70肖氏硬度(Shore D)。
合适的热塑性弹性体是聚酯弹性体、共聚酯弹性体、苯乙烯嵌段共聚物如SBS(苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物)或SEBS(苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物)、弹性共聚酰胺、热塑性硅树脂和弹性体聚烯烃。特别地，发现选自由聚酯弹性体和热塑性共聚酯组成的组的材料是合适的。术语TPC或TPE-E用于概括聚酯弹性体和热塑性共聚酯。
TPC材料在机械耐久性和良好的老化性能方面优于聚氨酯。特别是TPC材料的老化性能对于根据本发明的膜是理想的，因为与其它多层膜相比，寿命性能提高。
在优选的实施方案中，根据本发明的声学膜的特征在于第一外层和第二外层由相同的热塑性弹性体形成。
考虑到膜的更容易制造和为声学装置进一步加工，对称布置可以是优选的。在膜的两侧都需要机械保护。因此，优选对称布置，其中两个外层都具有相同的材料。
在一个实施方案中，根据本发明的声学膜的特征在于至少一个阻尼层介于第一外层和第二外层之间。阻尼层优选为弹性体材料或橡胶，例如为选自由丙烯酸材料、硅树脂材料和聚丁二烯橡胶组成的组中的材料。
阻尼层具有允许机械阻尼的材料。机械阻尼是指膜可能显示某些失效模式，特别是在膜的共振频率附近。阻尼层可以减少不需要的失效模式。阻尼层优选地由柔软且有弹性的材料形成。合适的合成橡胶材料是优选的，例如丙烯酸材料、硅树脂材料或聚丁二烯橡胶。优选地，阻尼材料具有高机械损耗。所提出的丙烯酸材料或硅树脂材料也可以用作胶层以连接声学膜的各个层。由于用于声学应用的优异阻尼特性，丙烯酸材料优选用于阻尼层。
发明人已经研究了根据本发明的膜的不同内部布置。如果一个单一阻尼层介于第一外层和第二外层之间，则根据本发明的膜是三层膜。示例性地，三层膜可以由第一外层、内部层和第二外层构成，第一外层是热塑性弹性体如TPC，内部层是用于阻尼的丙烯酸材料，第二外层是与第一外层相同的热塑性弹性体。
或者，还研究了五层膜。如在上述的三层膜中，每个外层与阻尼层直接接触，阻尼层是弹性材料，弹性材料优选选自由丙烯酸材料、硅树脂材料和聚丁二烯橡胶组成的组。另外，中心增强层将两个阻尼层分开。
因此，在本发明的一个实施方案中，膜包括五个层，其中中心层是增强层，第一阻尼层和第二阻尼层分别介于增强层和第一外层以及增强层和第二外层之间。
优选地，中心层由如外层那样具有较高杨氏模量的材料制成。中心层的材料例如为热塑性材料，例如为PAEK、PEI、PAR、改性PAR、PPSU、PSU、PES、PET、PEN、PA、PC，优选为PEEK。
此外，在五层膜中，优选的是，第一外层和第二外层由TPC材料制成，第一阻尼层和第二阻尼层是丙烯酸材料。
热塑性材料(如例如PEEK)的热成型性是设计声学膜的一大优点，并且所提出的材料允许根据本发明的完整声学膜可以通过基于热的方法形成。PEEK的材料特性使复合膜具有优异的性能。在根据本发明的五层布置中，可以使用热塑性增强层的优点，同时膜的最大的和表面暴露的部分(即外层)由具有保护性能的热塑性材料和优选更便宜的基础材料形成。此外，发现与具有PEEK作为外层的膜相比，根据该实施方案的复合膜实现相似或延长的寿命，而PEEK的比例可以降低。保护性热塑性弹性体似乎与较硬的核心层形成协同作用。用于增强层的替代材料，例如PAR，可以获得与PEEK层压体类似的结果。
另一方面，本发明提供了一种声学装置，其包括根据本发明的膜。示例性地，声学装置可以是电动态声学换能器。声学装置可以包括换能器元件和线圈，其中线圈耦合到根据本发明的振动膜。可选地，声学装置还可包括底座构件和/或盖构件。
声学装置是扬声器或麦克风，特别是用于在移动电话、笔记本电脑、平板电脑、游戏机、耳机、免提扬声器电话、现代电视中应用的微型扬声器以及也用于汽车领域中。
根据本发明的声学装置可以是微型应用，其中由根据本发明的膜形成的面积小于10cm2，例如声学膜的面积可以小于5cm2。
附图说明
在下文中，将通过说明性附图和示例详细描述根据本发明的膜，其不应被视为限制本发明。
图1示出了根据本发明的具有三层布置的声学膜层压体的方案。
图2示出了根据本发明的具有五层布置的声学膜层压体的方案。
图3示出了与PEEK作为外层的现有技术的膜相比，根据本发明的两种膜的疲劳行为。
具体实施方式
示例
制备根据本发明的膜
如上所述，所有材料可以是可热成型的，因此，在一些根据本发明的多层膜的实施方案中，每层可以通过挤出来制备。发明人发现，根据本发明的膜可以通过共挤出来制备。WO 2015/052316中描述了用于制备根据本发明的膜的方法。
三层膜布置
图1示出了根据本发明的具有三个层101、102和103的膜100的三层层压体的示意图。上外层101和下外层102由热塑性弹性体形成。中间层是阻尼层103。优选地，外层101和102由相同的材料形成，膜100的上侧和下侧彼此相同。在一个实施方案中，外层101和102可以由TPC形成，阻尼层103可以是丙烯酸聚合物。
三层膜具有改善的阻尼性能。阻尼层材料还可以用作连接外层的胶。三层结构可具有20至100μm或更厚的厚度，例如约30μm的厚度。各个层可以对膜的厚度有相似的贡献。
增强的五层膜布置
图2示出了根据本发明的膜100的五层层压体的示意图。在包括五个层的布置中，中心层105可以是嵌入在丙烯酸或硅树脂的两个阻尼层103和104之间的PAR层或PEEK层，两个外层101和102是热塑性弹性体，如TPC。
例如，中心增强层可以是0.5至20μm，例如6或10μm。两个阻尼层各自可以是4至30μm、例如5μm的丙烯酸材料。外层各自可以是5至50μm、诸如例如10μm的TPC材料。总之，五层布置可以具有约20μm以上、优选30至50μm的厚度。
所研究的本发明的实施方案示出了例如以下布置，其中每个层的厚度和材料如下所示：
表1
在这些实施方案中，TPC是聚对苯二甲酸丁二醇酯与乙二醇的嵌段共聚物。丙烯酸材料是具有高内部机械损耗的柔软材料。
表征疲劳行为
在模拟膜的表面损伤后，用动态检查机器Electro Force 3230(BoseCorporation，Eden Prairie，USA)研究疲劳行为。将根据本发明的实施方案1和2的五层膜(参见表1)与根据现有技术的三层膜(3L46-PEEK8-K130)进行比较。现有技术的膜由两个8μm的PEEK层组成，两个PEEK层由30μm的阻尼层隔开。对于每个研究的膜实施方案，使用在两侧切有0.5mm的15mm的测试条，并且实验重复三次。夹紧长度为45mm，23℃下的测试频率为100Hz。
在图3中，实施方案1(5L36-TPE10-Kl5-PEEK6)的结果用圆圈和短划线表示，实施方案2(5L40-TPE10-Kl5-PAR10)的结果用正方形和连续线表示，对比示例(3L46-PEEK8-Kl30)的结果用三角形和点线表示。
图3示出了10000次循环后的应变跨度。在失效之前，所有三个膜的疲劳强度相似。根据本发明的实施方案在失效之前显示更多次数的循环，表明裂缝扩展更慢。
然而，在实践中，根据本发明的多层膜与常规膜之间的裂化机理可能存在进一步的本质区别。由于热塑性弹性体与标准热塑性塑料(如PEEK)相比具有独特的材料行为，因此在根据本发明的膜中可以防止外弹性外层中的裂纹萌生。
表征声学行为
使用具有用于微悬架部件测量(micro suspension part measurement，MSPM)的工具的Klippel(Klippel GmbH，Dresden，Germany)的系统来表征声学行为。将根据本发明的五层的实施方案(如表1中的实施方案3)与单层进行比较。单层具有与实施方案3的外层相同的TPC材料的单层，并具有42μm的相同总厚度。
该方法允许在使用用于记录位移的激光器和用于记录压力的麦克风(麦克风灵敏度12.43mV/Pa)被动地激励压力室中的膜之后表征某些参数。通过质量扰动并拟合传递函数计算结果。拟合范围设定在20至500Hz之间。
两种研究的膜的测试参数相似(表2)。
表2
结果表明，根据本发明的实施方案和对比的单层具有相同的移动质量和相同的共振频率(表3)。根据本发明的膜的机械品质因数Q更低。该后一个因数表示更高的阻尼，因此减少了不需要的声学效应。
表3
结果参数 单位 实施方案3 对比示例
共振频率f<sub>Reso</sub> Hz 247.9 247.5
品质因数Q - 6.064 8.512
移动质量m g 0.04 0.04
机械柔度C mm/N 10.4 10.34
刚度K N/mm 0.096 0.097
机械阻力R kg/s 0.01 0.007

Claims (12)

1.一种声学膜(100)，其包括至少三个层，其具有第一外层(101)和第二外层(102)，其特征在于，所述第一和第二外层(101、102)由热塑性弹性体形成，其中形成所述第一外层的所述热塑性弹性体和形成所述第二外层的所述热塑性弹性体彼此独立地选自由聚酯弹性体、共聚酯弹性体、苯乙烯嵌段共聚物、弹性共聚酰胺、热塑性硅树脂和弹性体聚烯烃组成的组，优选为共聚酯弹性体。
2.根据权利要求1所述的声学膜(100)，其特征在于，所述第一和第二外层中的至少一个由具有低于500MPa、优选低于200MPa的杨氏模量的热塑性弹性体形成。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的声学膜(100)，其特征在于，所述第一外层(101)和所述第二外层(102)由相同的热塑性弹性体形成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的声学膜(100)，其特征在于，至少一个阻尼层(103)介于所述第一和第二外层(101、102)之间。
5.根据权利要求4所述的声学膜(100)，其中所述至少一个阻尼层由弹性材料形成，所述弹性材料优选选自由丙烯酸材料、硅树脂材料和聚丁二烯橡胶组成的组。
6.根据权利要求4或5中任一项所述的声学膜，其特征在于，所述膜包括三个层。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的声学膜，其特征在于，丙烯酸材料的一个阻尼层(103)介于所述第一和第二外层(101、102)之间，并且其中所述外层(101、102)由聚酯弹性体或共聚酯弹性体形成，优选由共聚酯弹性体形成。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的声学膜(100)，其特征在于，所述膜包括五个层，其中中心层是增强层(105)，并且第一阻尼层和第二阻尼层(103、104)分别介于所述增强层与所述第一和第二外层(101、102)之间。
9.根据权利要求8所述的声学膜(100)，其特征在于，所述增强层(105)由热塑性材料形成，所述热塑性材料优选选自由PAEK(聚芳醚酮)、如PEEK(聚醚醚酮)、PEI(聚醚酰亚胺)、PAR(聚芳酯)、改性PAR类型、PC(聚碳酸酯)、PA(聚酰胺)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PPSU(聚苯砜)、PES(聚醚砜)和PSU(聚砜)组成的组，优选为PEEK。
10.根据权利要求8或9中任一项所述的声学膜(100)，其特征在于，所述第一和第二外层(101、102)由聚酯弹性体或共聚酯弹性体形成，优选由共聚酯弹性体形成，且所述第一阻尼层和所述第二阻尼层(103、104)由丙烯酸材料或硅树脂材料形成。
11.一种声学装置，其包括根据权利要求1至10中任一项所述的声学膜。
12.根据权利要求11所述的声学装置，其中，所述声学装置还包括换能器元件和线圈。
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