CN1145923C - 压电电声换能器 - Google Patents

Abstract

提供一种不需改变压电振动膜尺寸及所使用的壳体部件形状，就具有低谐振频率的压电电声换能器。这种压电电声换能器有一块具有金属板(5)和叠在金属板(5)一表面上的压电陶瓷元件(6)的压电振动膜(4)，其中，多层压电振子(4)在它周边被支撑。为了抑制或消除换能器激励时在压电振动膜周边发生应力的环绕传递，在压电振子(4)的周边专门设置了多个突出物(5a)，作为应力传递抑制装置。

Description

压电电声换能器

本发明一般地涉及可用作压电蜂鸣器等的压电电声换能器，特别涉及到通过对在换能器中所用的压电振动膜结构的改善从而具有降低谐振频率的固有能力的压电电声换能器。

例如在已发表的未审查日本专利申请中第52-24399号揭示了一种现已公知压电电声换能器。此现有技术器件包括一压电振动膜，它被具有较大直径的第一圆柱形壳体和具有较小直径的第二圆柱形壳体支撑。更具体些说，在现有技术中，在第一圆柱形壳体的相应于半高度的位置处，环绕该壳体的内壁表面设置一“中间的”阶梯状部分，使压电振动膜的周边部分被夹在中间的阶梯状部分和第二圆柱形壳体的末端边缘之间，从而实现对压电振动膜的固定支撑。

遗憾的是，在未审查日本专利申请第52-24399号中所揭示的这种类型的压电电声换能器遇到一个问题：由于压电振动膜在沿其边缘的全部周边处都被支撑，因此当需要将声压(即，谐振频率)偏移或偏置到更低的数值范围之内时，就得增加压电振动膜的直径，或减小其厚度。

显然，当增大压电振动膜直径时，所得到的压电电声换能器的尺寸会相应地增加。当减小压电振动膜厚度时，需要减小把组成压电振动膜的压电陶瓷板和/或压电陶瓷板所粘附的金属板的厚度，这给生产带来难度，增加成本和/或降低特性的稳定性。

另一种现有技术的压电电声换能器例如在已发表的未审查的日本实用新型公报第5-90594号揭示，这种换能器可以在不需改变压电振动膜的直径和/或厚度的情况下，在很低频率范围内达到声压的峰值。

在未审查的日本实用新型公报第5-90594号里描述的这种压电电声换能器，它的一个盘形压电振动膜由第一圆柱形壳体和插在它里面的第二圆柱形壳体支撑。更具体些说这个盘状压电振动膜由环绕第一圆柱形壳体内设置壁的中间的阶梯状部分和第二圆柱形壳体的开口边缘的表面的组合来支撑。为了将声波的峰值点向低频率的一侧偏移，现有技术设计使用一些切去部分，至少相对于第一和第二圆柱形壳体之一，在对压电振动膜支撑的经选择的位置上形成这些切去部分。这些切去部分可使压电振动膜仅仅在沿周边的一部分边缘被部分支撑。

根据未审查的日本实用新型公报第5-90594号中的描述，已经说明，通过在压电振动膜周边处部分地支撑压电振动膜，可使声压峰值向低频偏移。

现有技术遇到的一个严重问题是，即使使用了由通过改进第一和第二圆柱形壳体机械支撑盘形压电振动膜的壳体结构而得出的这种部分支撑设计，谐振频率向低频的偏移仍然受到限制。换句话说，谐振频率不可能在数值上单纯地降低-超出某一数值的进一步降低谐振频率会受到限制。这样就不可能或至少很难将此现有技术下的结构应用到那些严格要求达到超低谐振频率的应用中去。

在未审查的日本实用新型公报第5-90594号中所揭示的现有技术方法的另一个不利之处是，要求使用形状经过专门设计的特殊的壳体部件，以达到对压电振动膜的部分支撑。这样，由于要根据不同的谐振频率目标值以逐个壳体的方式准备多种型式的专门的壳体部件，导致了不希望的生产成本的增加。

本发明的一个目的是，在不需要改变压电振动膜的直径和厚度，及不需使用任何特殊的壳体部件的情况下，提供一种有超低谐振频率的压电电声换能器。

为了达到上述目的，根据本发明的一般原理提供了一种压电电声换能器，该换能器有一块压电振动膜，它具有一金属板和一层叠在金属板一个表面的压电元件，并且在压电振动板的周边处被支撑着，其特色是，换能器包括一个设置在压电振动膜周边上的应力传递抑制装置(stress transmission suppression means)，在电激活或通电时抑制应力在周边处作环绕传递。

具体些说，本发明的核心概念在于，为了减小这种具有一金属板和在该金属板的一个表面上的压电元件、并在板的周边处被支撑的压电振动膜的压电电声换能器的谐振频率，必然要抑制或消除应力在周边处的环绕传递。本发明中，压电振动膜有一专门的应力传递抑制装置能可靠地抑制压电振动膜周边的应力的环绕传递。这有利于减小压电电声换能器的谐振频率。

根据本发明另一方面，通过为上述的压电振动膜在其周边部分提供非支撑部分而形成应力传递抑制装置。

应力传递抑制装置在实践中可以有多种样式，包括，(但是并不限于，)在压电振动膜周边有多个横向突出的部分，而在多个突出物之间规定有一空隙。或者，应力传递抑制装置可由从压电振动膜的周边向内延伸的缝隙构成。或者，它也可由设置在靠近压电振动膜处的一个或几个窗口部分组成。

根据本发明的再一个方面，压电电声换能器还包括分别具有一闭环支撑平面的第一和第二壳体部件，其中，压电振动膜被置于第一和第二壳体部件的闭环支撑平面之间，从而使压电振动板周边被应力传递抑制装置部分支撑。

根据本发明的又一方面，第一壳体部件是一在内部圆周表面有一阶梯状部分以提供闭环支撑平面的第一管状或圆柱形壳体，而第二壳体部件是在其一端面形成一闭环支撑平面并插入第一壳体部件的第二圆柱形壳体。

要注意，第一和第二圆柱形壳体部分并不总是圆柱形的，当根据压电振动膜的平面形状选择来时，它们也可具有其他的形状，包括矩形管形状。

还要注意，压电振动膜也可以制成除盘形外的其他不同形状。由此，这里对于压电振动膜所用的术语“周边”不应只指这些盘状板的圆周周边；它还可以指例如矩形或正方形板的周边边缘的任何可能的周边边缘。

还要注意，这里对于第一和第二壳体部件的支撑平面所用的词语“闭环形状”不应只解释成圆环；某种情况下它也可以是矩形环。

另外，这些闭环形状的支撑平面不应该被只限于沿闭环只有某一宽度的支撑平面，熟悉这一领域的人应该知道，支撑平面还可包括一种安排，即用实质上没有宽度的闭环支撑平面来构造压电振动膜以达到与之线接触。

本发明的这些和其他的目的、特点及优点将从下面结合附图对较佳实施例更细致的说明中显示出来。

图1是本发明的第一实施例的压电电声换能器的剖面图。

图2是在第一实施例压电电声换能器中使用的压电振动膜的底视图。

图3表示在其周边部分有不同形状的多个突出物的压电振动膜。

图4表示一压电振动膜的底视图，在压电振动板中的多条缝隙形成了应力传递抑制装置。

图5表示一压电振动膜的底视图，在压电振动板中设置的一组窗口形成应力传递抑制装置。

图6表示正方形压电振动膜的底视图，在其外周边处设置了多个相同尺寸的突出物。

图7表示正方形压电振动膜的底视图，在其外周边处设置了多个不同尺寸的突出物。

图8是表示第一实施例的压电电声换能器的谐振频率特性的曲线图。

图9是用来和实施例对照的一个先前已知的压电电声换能器样品的谐振频率特性的曲线图。

图10是表示突出物数目和谐振频率的关系的曲线图。

图11表示本发明的另一实施例的压电电声换能器的剖面图，它的压电振动膜通过使用粘合剂来支撑。

图12描述了对该发明的第一实施例的压电电声换能器一种修改的截面图。

图1是本发明的第一实施例的压电电声换能器的纵向剖面图。

压电电声换能器1包括一个直径较大的管状或圆柱形壳体部件2，在其一端有底部，还有一个直径较小的圆柱形壳体3，它也有一底部。第一和第二圆柱形壳体2、3可由经选择的材料，包括，(但不限于)，合成树脂、金属、陶瓷等制成。

在圆柱形壳体2的上平面中央有一开口2a，用来辐射声波。壳体2还有一圆柱部分2b，从上平面的周边向下延伸。在圆柱2b内壁半高位置处有一阶梯状部分，该阶梯的下表面形成一圆形闭环的支撑面2c作为环状支撑面。在第二壳体2的内壁在比环状支撑面2c低的某一位置处形成沿圆周延伸的接合凹入部分2d。

另一方面，圆柱形壳体3在其底板中央处有一开口3a。这一开口3a用来使引线7，8穿过而延伸到外面。引线7，8作为电极电势连接装置，在下文中将详细叙述。

从圆柱形壳体3的底板的周边部分向上沿伸，形成圆柱部分3b。直立的圆柱3b的上部边缘形成一圆形闭环支撑面3c，作为环状支撑面。在圆柱3b的半高位置处，有一接合突出物，向外突出。这一突出物3d用来和第一个圆柱形壳体2的凹槽啮合。

一个压电振动膜4实质上由金属板5和压电振动膜6的叠层构成，金属板5由黄铜、42镍铁合金、不锈钢等构成，而压电振动板6在金属板5的下表面上。压电振动膜6有一下表面，其上有一个电极(图中未示出)。引线7和压电陶瓷6的下表面上的电极电气连接，而引线8和金属板5的下表面电气连接。引线7、8组成一个电极电势连接装置，用于通过引线7、8电气激励或供能，从而陶瓷6和金属板5一起振动。

顺便说说，压电振动膜4以被夹在第一圆柱形壳体2的环状支撑面2c和第二圆柱形壳体3的环状支撑面3c之间的方式而被实际支撑着。

这一实施例的一个主要特点是压电振子4有一应力传递抑制装置，如图2的底视图所示。

从图2中可以看到压电振子4的金属板5在外周边上有多个突出物5a。由于这种在金属板5的外周边上隔开放置的多个突出物5a的周围分布，在任何两个相邻的突出物5a，5a之间形成中空的空间。

在所述的实施例中，压电振子4在设置多个突出物5a的特定部分处被夹在环形支撑面2c、3c之间，如图1所示。

相应地，压电振子4在沿它外周边上选定的点处被部分地支撑；这样，可以用和未审查的日本实用新型公报第5-90594号中的压电电声换能器的相似的方法减小谐振频率的值。

除了谐振频率的减小之外，由于在所述实施例中在上述压电振动膜多个突出物的相邻的两个突出物5a，5a之间有一空间，用作应力传递抑制装置即使驱动时在压电振子4上沿环绕的方向，产生了可被传递的应力，仍可以在突出物5a，5a之间阻止这种应力的传递。这样能够抑制或消除压电振动膜上任何应力的环绕传递，可进一步减小谐振频率。因而，可提供和未审查的日本实用新型公报第5-90594号中的先前已知的压电电声换能器相比具有更小谐振频率的，改进的压电电声换能器。

图2中应注意所标出的“6a”字符指明一个电极，该电极做在压电陶瓷圆片6的下表面上而在其周边留有间隙。

下面将结合一些实验结果更充分地说明成功地减小这一实施例的谐振频率的可能性。

准备一个振子样品作为如图2所示的压电振动膜，其尺寸如下：多个突出物5a高H为0.5mm；包括突出物5a上边缘的金属板的直径D为15mm；金属板5的厚度为0.1mm；压电陶瓷膜6的直径为9mm；以及压电陶瓷6的厚度为0.08mm。注意如图2所示沿圆周方向的突出物5a的数目定为8。

如图1所示，把压电振子4夹在第一和第二圆柱形壳体2、3之间，然后对其作受谐振频率的测量，因而得到表示在图8中的实验结果，该结果说明得到的谐振频率为3.76Khz。

相反地，准备另一个用来作为对比的样品，它类似于上述的样品，但除去了多个突出物5a，并换上了厚度为15-mm的金属板。对此样品作谐振频率的测量，得到的结果如图9所示，显示出中心频率在4.69KHz。

因而，熟悉该领域的人可以看到所述实施例的谐振频率至少可降低20％。

注意，关于多个突出物5a的大小(即突出物5a的宽W、高H)和突出物的数目，在此实施例中不应只限于先前设定的示例值。在这点上，已经证实适当地改变宽W、高H和突出物的数量可以更成功地减小谐振频率。

更具体些说对于具有图8所示的谐振频率特性的压电电声换能器，在压电振动膜上所提供的突出物5a的数目的改变时，对其进行类似的谐振频率测量，从图10的曲线图看出，可以通过将突出物数目从8减小到4的方法进一步减小谐振频率。然而，注意根据本发明者的实验，突出物的数目n应该大于或等于2。之所以这么说是因为当突出物数目小于2时，很难机械地支撑压电振动膜，这会使提供想经的优点变得困难。

关于图2所示的金属板的宽度W、高度H和直径D，最好在设计中满足：

(1/24)πD≤W1+W2+W3........+Wn≤(1/2)πD，            (1)

(1/10)W≤H≤2W.                                       (2)

另外，在设置多个突出物5a时，它们之间的间隙大小最好是相等或均匀的；但是，在需要时也可以使它们之间的间隙大小不一致或可变的。

此外，如图3底视图所示，形成多个作突出物5a时，可将某些突出物做成具有尺寸的不同。

而且，在上述实施例中，虽然在压电振子4上提供多个由一组突出物5a组成应力传递抑制装置，但应力传递抑制装置可以改变成多个缝隙11a，每个缝隙都从金属板5的圆周周边向中心延伸，如图4的底视图所示，由此构成应力传递抑制装置。相似地，如图5所示，在金属板的外围边缘上设置多个窗口部分，以构成应力传递抑制装置。

换句话说，本发明的应力传递抑制装置不应只限于所述的实施例中的任何一例，只要可以在压电电声换能器的激励过程中能断开或抑制金属板环绕方向的应力的传递即可；在合适的条件下，抑制装置也可自由地改变为使用如图4所示的缝隙11a，或图12所示的窗口12。

再有，虽然上述实施例被设计成利用平面圆形的压电振子4，但此振子也可以是如图6和7所示的矩形。图6所示的压电振子13中，使用大体上是正方形的金属板14，其周边有一组相同大小的突出物14a，形成了应力传递抑制装置。或者，在如图7的压电振动膜中，使用大体上是正方形的金属板15，在其周边有不同大小的突出物15a、15b。

在这些金属板14、15中，多个突出物也可以换成缝隙或窗口来构成应力传递抑制装置。

此外，除了圆形或正方形外，压电振子的平面形状也可以是矩形或六角形。

类似地，可以修改用来支撑一有关的压电振子的第一个和第二个圆柱形壳体部件的结构，使之具有任何合适的形状，以符合所使用的压电振动膜的形状。例如，就支撑图6中的压电振动膜13来说，图1中使用的环形支撑面2c、3c可换成具有矩形闭环形状支撑平面的矩形壳体。

再有，图1的压电电声换能器中，这样支撑压电振子4，在它的周边处，它被夹在作为第一和第二壳体的圆柱形壳体2、3之间，然而，也可使用其他合适的支撑结构以在周边部分固定地支撑压电振子。图11表示出一例示的结构，其中在圆柱形壳体21内的半高位置处有一个阶梯状部分形成一闭环形的支撑面21a，闭环形支撑面21a上使用粘合剂22使压电振子4固定。此时，压电振子4还在相应于上述多个突出物5a的经选择的部分处被粘合剂22粘附和固定。因此可用类似于图1中压电电声换能器减小谐振频率的方法减小该处的谐振频率。

还应进一步注意，在图1所示的实施例中，虽然引线7，8被用作电极电势连接装置，但这一点可用图12所示的方法改变，使用弹簧状弹性引线23、24分别与金属板5及压电陶瓷6的选定部分电气连接，以达到和相应的电极片与端子电气连接的目的。

已经描述了实施本发明的压电电声换能器因为除了在压电振动膜的外边缘有圆周支撑结构外，还使用专门的应力传递抑制装置，故能够成功地抑制或排除在电气驱动操作时在周边可能发生的任何应力的环绕传输和和现有技术下的压电电声换能器相比，压电振子在周边部分的局部支撑和上述应力传输抑制装置的作用相结合可有助于使谐振频率向频率更低的一侧偏移。而且，由于通过仅仅给压电振动膜添加一个应力传递抑制装置便可得到上述结果，故不必在支撑结构部分的边上提供另外的部件来支撑压电振子，包括用来作为壳体部件等部分的特殊结构。这样可允许使用传统的振子部件而不必增加生产成本，提供具有超低谐振频率的压电电声换能器。

本发明的另一优点在于应力传递抑制装置由提供多个突出物来形成，对于所要的平面形状或图孔的压电振只要改变一下冲压压电振动膜的金属板用的现存的金属模具或切割刀片，就能容易地构造出任一想要的具有应力传递抑制装置的压电振动膜。

类似地，即使应力传递抑制装置通过使用缝隙来形成，也可使用刀片在按常规预备的用作压电振动膜的金属板中制作缝隙来得到。

此外，就使用窗口来形成的应力传递抑制装置来说，由于可以同时冲压压电振动膜的金属板和其中的窗口，因而所需的制造步骤不再增加。

以上已结合特殊的实施例叙述了本发明，对熟悉这一领域的人来说，根据前面的说明许多修改和变动是显然的。因此，打算在所附的权利要求书中包含所有这些修改和变动。

Claims (10)

1.一种压电电声换能器，其特征在于，它包括：

一平面压电振动膜；

一压电陶瓷圆片，它设置在所述平面压电振动膜上并在所述平面压电振动膜上被支撑；以及

一应力传递抑制装置，它包括多个提供在所述平面压电振动膜周边的缝隙，用来在激励时抑制应力在所述平面压电振动膜周边处的传递，多个缝隙中的每一个包括在基本垂直于所述平面压电振动膜周边方向上延伸的第一缝隙部分和在基本平行于所述平面压电振动膜周边方向上延伸的第二缝隙部分，并且尽管存在缝隙，所述平面压电振动膜的周边仍保持基本连续的圆形。

2.如权利要求1所述的压电电声换能器，其特征在于，还包括：

各有一闭环支撑平面的第一和第二壳体部件；并且

所述压电振动膜被置于所述第一和第二壳体部件的闭环支撑面之间，使所述压电振动膜的周边被所述应力传递抑制装置部分支撑。

3.如权利要求2所述的压电电声换能器，其特征在于，所述第一壳体部件是一个在其圆周内表面有一阶梯状部分以提供闭环支撑面的第一壳体，而所述第二壳体部件是一个插入所述第一壳体、且具有构成闭环支撑面的一端面的第二壳体。

4.一种压电电声换能器，其特征在于，它包括：

一压电振动膜，由一块基本方形的平坦金属板构成；

一压电陶瓷圆片，它设置在所述压电振动膜上并在所述压电振动膜上被支撑；以及

一应力传递抑制装置，它设置在所述压电振动膜的周边，用来在激励时抑制应力在所述压电振动膜周边处的传递，应力传递抑制装置包括从基本方形的平坦金属板延伸出的多个突出部分。

5.如权利要求4所述的压电电声换能器，其特征在于，所述应力传递抑制装置包括设置在所述压电振动膜周边的不支撑部分。

6.如权利要求4所述的压电电声换能器，其特征在于，所述突出部分设置在所述压电振动膜的周边，使得在所述多个突出部分中相邻的两个之间限定一空间。

7.如权利要求4所述的压电电声换能器，其特征在于，所述突出部分具有不同的尺寸。

8.如权利要求4所述的压电电声换能器，其特征在于，所述突出部分具有相同的尺寸。

9.如权利要求4所述的压电电声换能器，其特征在于，还包括：

各有一闭环支撑平面的第一和第二壳体部件；并且

所述压电振动膜被置于所述第一和第二壳体部件的闭环支撑面之间，使所述压电振动膜的周边被所述应力传递抑制装置部分支撑。

10.如权利要求9所述的压电电声换能器，其特征在于，所述第一壳体部件是一个在其圆周内表面有一阶梯状部分以提供闭环支撑面的第一壳体，而所述第二壳体部件是一个插入所述第一壳体部件、且具有构成闭环支撑面的一端面的第二壳体。

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