CN1182755C - 压电电声换能器 - Google Patents

Abstract

构造一种压电电声换能器，使得压电隔膜易于粘合到外壳上，实现足够的支承强度，支承压电隔膜同时使对其振动的妨碍减至最小。这种压电电声换能器包括通过将正表面和背表面上有电极的压电陶瓷板粘合到金属板上而构成的压电隔膜、以及通过用弹性粘合剂固定周边部分而将压电隔膜容放在其中的外壳。支承压电隔膜的周边部分的支承部分设置在外壳中，在支承部分上设置弓形截面的支承表面，使得支承表面的曲率中心位于压电隔膜的周边部分的下表面附近。

Description

压电电声换能器

本发明涉及压电电声换能器，如压电发声器、压电扬声器、压电蜂鸣器和压电接收器。

普通压电电声换能器一直被广泛地用作压电蜂鸣器和压电扬声器。通常，这种压电电声换能器的结构为通过将圆形金属板粘合到圆形压电陶瓷板的一个表面上而构成单面隔膜，单面隔膜的周边部分由圆形外壳支承，外壳的开口被盖板闭合。通过将在电压作用下外径会扩大和收缩的陶瓷板粘合到尺寸不变化的金属板上，单面隔膜呈现弯曲振动。

上述的传统压电电声换能器通常采用三种支承结构将隔膜支承在外壳中。这三种支承结构示于图1至图3中。图1示出这样安排的支承结构，通过硅粘合剂3将隔膜1的背表面节点部分固定于从外壳2凸起的支承部分2a上。提供盖板4闭合外壳2的开口2。图2示出这样安排的支承结构，隔膜1的周边部分通过硅粘合剂3固定到外壳2的支承部分2b上。图3示出一种支承结构，其中锥形槽部分2c和4a位于外壳2和盖板4相接的地方，隔膜1的周边部分插入到槽部分2c和4a中并用粘合剂3固定。

利用图1所示的节点部分的支承结构，由于必须用粘合剂3将隔膜1的背面固定于支承部分2a，存在粘合过程困难以及不能将大量粘合剂3施加在支承部分2a与隔膜1之间的缺点。因此，隔膜1的支承强度是不够的。

利用图2所示的周边部分的支承结构，粘合过程是容易的，但是外壳2的支承部分2b为平表面，因此隔膜1的背面被牢牢地粘合于支承部分2b的表面，由此限制了隔膜1的角度变化。于是，存在隔膜1的有效直径d1远小于隔膜1的实际直径d0以及在低的频率下隔膜的驱动困难的缺点。

利用图3所示的锥形槽部分的支承结构，隔膜1被斜放。当将隔膜1装入外壳2中时，如果隔膜1偏离外壳2的中心，如果盖板4被用力合上，则会损坏隔膜1。在装外壳2和盖板4后必须利用分散器将液体粘合剂3注入锥形槽部分2c和4a中，那么，存在施加粘合剂3的方法困难，因此增加成本的缺点。

为了克服上述问题，本发明的较佳实施例提供一种压电电声换能器，其中压电隔膜至外壳的粘合是简单进行的，可实现足够的支承强度，支承压电隔膜的同时使压电隔膜的振动的障碍减至最小。

根据本发明的一个较佳实施例，压电电声换能器包括具有压电陶瓷板和压电陶瓷板粘合于其上的金属板的压电隔膜，以及外壳，该外壳包含安排成通过用弹性粘合剂固定于其周边部分而支承压电隔膜周边部分的支承部分，以及设置在支承部分上的支承表面，支承表面具有基本上为弓形的截面，支承表面的曲率中心位于压电隔膜的周边部分的下表面附近。

当将交流电压施加在压电隔膜的两电极之间时，压电隔膜随压电陶瓷板的扩大/收缩而弯曲和振动。尽管压电隔膜的周边部分通过弹性粘合剂固定于外壳的支承部分，但是，在外壳的支承部分上设置基本为弓形截面的支承表面(弯曲表面)，以致于曲率中心位于压电隔膜的周边的下表面附近，因此，压电隔膜支承在弯曲表面的切向方向上。当支承表面从其周边部分接近压电隔膜的中心部分时，作为支承表面的弯曲表面与压电隔膜之间的相对距离变大。因此，当压电隔膜振动时角度变化不受限制。因此，增大了压电隔膜的有效直径以及实现了低的频率。当将压电隔膜定位于外壳的支承部分时，如果定位部分在横向方向上稍有偏差，通过将压电隔膜的周边部分放置在曲面上易于控制压电隔膜的倾斜配置。此外，当将压电隔膜固定于外壳的支承部分时，可以将压电隔膜的周边部分设定为支承部分，可以用粘合剂涂覆其表面，因此极大地简化了粘合过程。

较佳地，基本为弓形支承表面的曲率半径小于压电隔膜的长边或直径，因为，如果曲率半径大于压电隔膜的长边或直径，那么易于在压电隔膜的周边部分而且在周边部分的内部部分阻碍振动，这减小压电隔膜的振动面积。

通过使支承表面的曲率半径小于压电隔膜的长边或直径，极大地增大压电隔膜的振动面积。

根据本发明的另一较佳实施例，在压电陶瓷板的正面和背面设置电极，将金属板附着到压电陶瓷板一个表面的电极，限定具有单面构造的压电隔膜。这种结构的结果，通过将交流信号施加在压电陶瓷隔膜另一个表面上的电极与金属板之间使压电隔膜以弯曲模式振动。

通过将基本为矩形的压电陶瓷板粘合到基本为矩形的金属板上可以构造压电隔膜。在这种情况中，通过弹性粘合剂将金属板的两个短边附着于外壳的支承部分，通过弹性密封材料将金属板的两个长边与外壳之间的空间密封。

即，如果利用圆形隔膜，仅仅其中心变为最大幅度点，因此位移量小，声学换能效率相对较低。由于限制了隔膜的周边表面，所有增大了频率，必须增大径向尺寸，以获得具有低的频率的隔膜。

另一方面，如果采用基本为矩形的隔膜，最大幅度点出现在沿基本为矩形隔膜的纵向方向的中心线上，因此，位移量很大，实现高的声学换能效率。尽管限制了压电隔膜的两个短边，但是两个长边可以自由位移。因此，与基本为圆形的隔膜相比，基本为矩形的隔膜可实现更低的频率。采用上述的利用基本为矩形隔膜的压电电声换能器，极大地增大了隔膜的位移。因此，本发明较佳实施例的新颖结构和配置获得声压上的进一步提高以及实现了低的频率。

当压电隔膜包括叠层体，其中将两个或三个压电层层叠起来时，在叠层体的正面和背面上设置主表面电极，内部电极位于每个陶瓷层之间，所有的陶瓷层在沿厚度方向的相同方向上极化。通过将交流信号施加在主表面电极与内部电极之间时，叠层体以弯曲模式振荡，因为当正面上的陶瓷层扩大时背面上的陶瓷层收缩。这一位移大于单面隔膜，由此增大声压。

此外，较佳地叠层体基本为矩形形状，叠层体的两个短边通过弹性粘合剂附着于外壳的支承部分，叠层体的两个表面与外壳之间的空间用弹性密封材料密封。在这种情况中，正如在本发明的较佳实施例之一的情况一样，与圆形隔膜相比可获得较低的频率。此外，增大了位移，由此提高声压。

从以下参考附图所作的对较佳实施例的详细描述中，本发明的其它特征、元件、特征和优点将是显而易见的。

图1是传统的压电电声换能器的一个例子的截面图。

图2是传统的压电电声换能器的另一个例子的截面图。

图3是传统的压电电声换能器的再一个例子的截面图。

图4是本发明的压电电声换能器的第一较佳实施例的分解透视图。

图5是沿图4中线V-V的截面图，表明压电电声换能器的组装状态。

图6是沿图5中线VI-VI的截面图。

图7是图5所示的一部分压电电声换能器的放大截面图。

图8是表明基本为矩形的隔膜的位移的图。

图9是当根据本发明较佳实施例的压电隔膜在横向方向上偏离时的截面图。

图10是本发明的压电电声换能器的另一较佳实施例的平面图。

图11是通过图10中所示的线XI-XI的截面图。

图12是根据本发明的压电电声换能器的压电隔膜的另一较佳实施例的透视图。

图13是图12所示压电隔膜的截面图。

图14是根据本发明的压电电声换能器的压电隔膜的另一较佳实施例的平面图。

图15是根据本发明的压电电声换能器的压电隔膜的又一较佳实施例的截面图。

图4至6示出根据本发明的压电电声换能器的第一较佳实施例。

压电电声换能器较佳地包括基本为矩形形状的单面压电隔膜10、以及容放压电隔膜10并较佳地由树脂制成的外壳20和盖板30。外壳20和盖板30限定外壳体。

正如图4所示，根据这一较佳实施例的压电隔膜10较佳地通过将基本为矩形的压电陶瓷板11粘合到基本为矩形的金属板12的表面上而构成的。在压电陶瓷板11的正面和背面上分别有电极11a和11b，在厚度方向上极化。金属板12较佳地基本为矩形形状，其宽度基本上与压电陶瓷板11的宽度相同，长度略长于压电陶瓷板11的长度，与压电板11的背面电极11b电连接。对于金属板12，较佳地采用具有优良电导率和弹簧弹性的材料。具体地说，杨氏模量较佳地接近于压电陶瓷板11的杨氏模量。因此，金属板12较佳地由磷铜42Ni或其它合适材料制成。顺便说，如果金属板12由42Ni制成，热膨胀系数接近于陶瓷(如PZT)的热膨胀系数，那么，金属板12可实现较高的可靠性。根据这一较佳实施例，压电陶瓷板11在金属板12的长度方向上偏位的位置上被粘合于一个表面上，金属板12有一露出部分12a，通过在其长度方向上将金属板12露出于其它表面而限定。

在外壳20的底壁上形成一个或多个导声孔21，将盖板30附着于外壳20的上表面上的开口。在盖板30上形成一个或多个导声孔31。在外壳20的两个短边的内表面上设置阶梯形的彼此面对面的支承部分22a和22b。将压电隔膜10放置在支承部分22a和22b上，使得金属板12面向下。金属板12的两个短边通过诸如硅粘合剂的弹性粘合剂23而固定。压电隔膜10的两个长边与外壳20之间的空间由弹性密封材料24密封。结果，在压电隔膜10的正面和背面上限定声学空间25和26。

引线13和14通过焊接或其它合适方法分别连接至金属板12的露出部分12a和压电陶瓷板11的正表面电极11a，通过外壳20和盖板30之间的空间引导到外侧。当将交流电压施加在引线13与14之间时，通过将压电隔膜10长度方向上的两个端部定位于支承部分上，压电隔膜10弯曲并以纵向弯曲模式振荡。弯曲振荡引起正面和背面上的声学空间25和26谐振，由此从导声孔21和31发出声音。

图7详细示出作为外壳20的一个支承部分的支承部分22b。注意限定外壳20的另一个支承部分的支承部分22a较佳地具有与支承部分22b的相同的结构，因此省略对其描述。

在支承部分22b的顶部支承表面27基本上为弓形截面，以致于支承表面27的曲率中心O位于压电隔膜10的周边的下表面附近。参考图7，参考符号A表示支承宽度(用以涂覆隔膜的粘合剂的涂覆宽度)，参考符号B表示外壳20与压电隔膜10之间的间隙。

较佳地，按照以下关系表达式设定支承表面27的曲率半径r

如果r约在0.3mm≤r≤1.0mm的范围内，在振荡特性和支承上可实现合适的结果。

图8示出在利用平表面作为支承表面(根据传统例子)的情况中以及在利用曲面作为支承表面(根据本发明的较佳实施例)的情况中，当在金属板12与正面电极11a之间输入1V_rms的正弦波信号时，基本为矩形的压电隔膜的位移。

位移是由激光位移计测量的。当隔膜的长度和宽度分别约为14.0mm和10.0mm时，用总重量约为2.0mg的硅粘合剂固定隔膜的两个短边，两个长边不密封。假设，根据本发明的较佳实施例，曲面的曲率半径r约为0.3mm，粘合剂的涂覆宽度A约为0.1mm，间隙B约为0.1mm，而根据传统例子，粘合剂的涂覆宽度A为0.3mm。

显然，正如图8所示，根据传统例子，当由平表面支承压电隔膜的两端时，限制了压电隔膜的端部的位移。因此，在压电隔膜中心的最大位移仅约为27μm。相反，根据本发明的较佳实施例，当由曲面(例如r＝0.3mm)支承压电隔膜的两端时，压电隔膜10能够自由地向下位移，正如图7中虚线所示，在隔膜10中心的最大位移能够增大到约35μm。因此，可以理解这是有利的，设定曲面作为支承表面从而可实现高的声压和低的频率。

由于在纵向方向的两个表面上分别在压电隔膜10与外壳20之间设置了间隙B，有可能沿支承表面27半路放置压电隔膜10的端部，正如图9所示，如果将压电隔膜10放在外壳20中从而沿压电隔膜10的长度方向以某种方式偏离。在这种情况中，如果r和B分别等于约0.3mm和0.1mm，那么，作为一个例子，压电隔膜10的一个端部被定位在比原始支承位置低距离S的点上(如双点链线所示)。这一降低量S由以下方程式定义。

$S=0.3(1-\cos \mathrm{\θ})$

$=0.3[1-\sqrt{1-{(0.1/0.3)}^2}$

$=0.017\mathrm{mm}$

正如以上表示的，降低的量S是极小的，如果压电隔膜10维持在外壳20中的偏离点上，通过使压电隔膜10倚在曲面上，有可能防止压电隔膜10倾斜。当r变大时，倾斜变小，因为降低的量S也变小。

图10和11示出根据本发明的利用基本为圆形压电隔膜的压电电声换能器的第二较佳实施例。

压电隔膜10较佳地通过将基本为圆形的压电陶瓷板41粘合于基本为圆形的直径大于压电陶瓷板41直径的金属板42的表面中心附近而构成。金属板42的周边部分支承在支承部分51上，后者设置在外壳50的内周边部分上并由诸如硅粘合剂的弹性粘合剂53固定。截面基本为弓形(与图7所示相似)的支承表面52位于外壳50的支承部分51上。这防止压电隔膜40的振荡被阻挡或阻碍。

需要注意，尽管图中未示出，盖板被附着在外壳50的开口上。

图12和13示出本发明的压电隔膜的另一较佳实施例。这一较佳实施例的压电隔膜60能够用图4至7所示的压电电声换能器的压电隔膜10替代。隔膜60包括两个层叠在一起的压电陶瓷层61和62。在隔膜60的正面和背面上分别设置主表面电极63和64。在陶瓷层61、62之间内部电极65。两个陶瓷层61和62在沿厚度方向的相同方向上极化，如图13中用粗箭头表示的。

在这一较佳实施例中，正表面的主表面电极63和背表面的主表面电极64的宽度较佳地与隔膜60的短边尺寸相同，略短于隔膜60的长边。每个主表面电极的一端连接至设置在隔膜60的一个短边的端表面上的端表面电极66。因此，正面和背面的主表面电极相互连接。内部电极65排列为相对于主表面电极63、64的对称形状。内部电极65的一端与端表面电极66分离，内部电极的另一端连接至设置在隔膜60另一短边的端表面上的端表面电极67。辅助薄电极68(它被导电连接至端表面电极67)设置在隔膜60的另一短边的端部的上下表面上。

引线69a连接至背面的端表面电极66或主表面电极64。引线69b连接至端表面电极67。端表面电极66、67设置在其上的两个短边通过弹性粘合剂固定到外壳20的支承部分22a、22b。两个长边与外壳20之间的空间用弹性密封材料密封。通过在引线69a与69b之间施加预定的交流电压，隔膜60以长度弯曲模式振动。通过将短边的两个端部的每一个安排为杠杆支点以及将纵向方向的中心部分安排为最大幅度点，隔膜60以弯曲模式振动。

由于这一较佳实施例的压电隔膜60与图4至7所示的压电隔膜10相似，基本上为矩形，位移量很大，可实现高的声学转换效率，因为最大幅度点沿纵向方向的中心线设置。此外，尽管隔膜60在纵向方向上固定在两个端部，但是，由于弹性密封材料，二者之间的部分能够自由地位移，由此与圆形隔膜相比可实现较低的频率。换句话说，当获得相同频率时，可使隔膜的尺寸变小。

此外，由于压电隔膜60具有这样的结构，将在相同方向上极化的两个压电陶瓷层61、62层叠起来，两个陶瓷层61、62在相反方向相互振荡，由此与图4至7所示的单面压电隔膜10相比，产生较大的声压，正如较大位移所表现的。

图14示出本发明的压电隔膜的又一个较佳实施例。

这个较佳实施例的隔膜70具有基本上类似于图12和13所示的隔膜60的结构，相同的部分以相同标号表示，省略其重复说明。

在图12和13中，内部电极65是部分电极。在图14中，内部电极65是整个电极。在这种情况中，由于内部电极65扩展到端表面电极66的侧面，会存在内部电极65与端表面电极66导电连接的可能性。为了阻止这种情况，在隔膜70的端表面上设置绝缘层71，以及设置与正面和背面上主表面电极63、64电连接的端表面电极66。这种安排的结果，尽管内部电极65是整个电极，但是内部电极65安全地与主表面电极63和64绝缘。

图15示出本发明的压电隔膜的另一较佳实施例。

这个较佳实施例的隔膜80包括三层层叠在起来的压电陶瓷层81至83。在隔膜80的正面和背面上设置主表面电极84、85。在各个陶瓷层81至83之间设置内部电极86、87。三个陶瓷层81至83在沿厚度方向的相同方向上极化，正如粗箭头所表示的。

在这个较佳实施例中，主表面电极84、85的宽度较佳地与隔膜80的短边基本相同，略短于隔膜80的长边。因此，主表面电极84、85相互连接。内部电极86、87的每一端与端表面电极88隔开。内部电极86、87的另一端连接至设置在隔膜80另一短边的端表面上的端表面电极89。因此，内部电极86、87相互连接。在隔膜80的另一短边的端部的上下表面上设置一又扁又宽的辅助电极，它与端表面电极89a导电连接。

当引线90a、90b分别连接至端表面电极88、89，负电压施加于引线90a，正电压施加于引线90b时产生在图15所示细箭头表示方向上延伸的电场。此时，由于位于起中间层作用的陶瓷层82的两个表面上的内部电极86、87具有相同的电位，不产生电场。正表面的陶瓷层81在平表面方向收缩，因为极化方向与电场方向相同。背表面的陶瓷层82在平表面方向上扩展，因为极化方向与电场方向相反。中间层82既不收缩也不扩展。结果，隔膜弯曲，以致于向下凸起。当将交流电压施加在端表面电极88、89之间时，隔膜80周期性地产生弯曲振荡。因此，产生很大的声音。

在图15中，内部电极86、87较佳地是部分电极，然而，它们可以是整个电极，如图14所示。

本发明并不局限于以上的较佳实施例，能够作出各种不同改进，而不偏离本发明。

外壳的结构不局限于较佳实施例中所示的由凹陷壳体和盖板限定的结构，外壳也可以通过用盖子覆盖平板基板而构成。在这种情况中，在盖子的内侧表面上可以设置截面为弓形的支承部分，可以将压电隔膜的周边部分附着到支承部分上。

将压电隔膜的电极引出到外部的引出元件不限于较佳实施例中所说明的引线，利用导电粘合剂或其它合适的材料也足以能形成至外壳或基板的外部连接端子和电极，然后将压电隔膜的电极连接至外部连接端子和电极。

尽管压电陶瓷板被粘合到金属板的一个表面上，以及单面隔膜是按本发明某些较佳实施例构造的，双面隔膜可以通过将压电陶瓷板粘合到金属板的两面而构造，在本发明的范围内。

顺便说，除了诸如压电蜂鸣器、压电发声器和压电扬声器的应用以及其它合适应用外，本发明的压电电声换能器可以用作诸如压电接收器的声音接收器。

如上所述，根据本发明各个较佳实施例，支承压电隔膜的周边部分的支承部分设置在外壳内，弓形截面的支承表面位于支承部分上，以致于支承表面的曲率中心位于压电隔膜的周边部分的下表面附近，压电隔膜的周边部分通过弹性粘合剂固定在支承表面上。因此，压电隔膜的周边部分的角度变化不受限制，压电隔膜的有效振荡面积也远大于通过传统平支承表面而支承压电隔膜的面积，此外，有可能实现低的频率。

当将压电隔膜定位在外壳的支承部分上时，如果压电隔膜在横向方向上略有偏离，将压电隔膜的周边部分放置在弓形支承表面上，由此可以控制压电隔膜的倾斜放置。

此外，如果压电隔膜被固定在外壳的支承部分上，压电隔膜的周边部分可以设定在支承部分上，表面可以涂覆弹性粘合剂，因此简化了粘合。

应当理解，以上描述仅仅是对本发明的说明。本领域的专业技术人员能够作出各种替换和改进，而不偏离本发明。于是，希望本发明包含所有这些替换、改进和变化，它们都在所附权利要求书的范围内。

Claims (19)

1.一种压电电声换能器，其特征在于所述换能器包括：

压电隔膜，它包括在其正表面和背表面上设置有电极的压电陶瓷板、和将压电陶瓷板安装在其上的金属板；

容放所述压电隔膜的外壳，所述外壳包括安排成支承所述压电隔膜的周边部分从而使其周边部分固定于支承部分的支承部分、和设置在所述支承部分上的支承表面，所述支承表面具有弓形截面，所述支承表面的曲率中心位于所述压电隔膜的周边部分的下表面附近。

2.如权利要求1所述的压电电声换能器，其特征在于进一步包括安排将压电隔膜的周边部分固定于支承部分的弹性粘合剂。

3.如权利要求1所述的压电电声换能器，其特征在于：所述弓形支承表面的曲率半径小于所述压电隔膜的长度方向长度和直径中的一个。

4.如权利要求1所述的压电电声换能器，其特征在于：压电隔膜包括压电陶瓷板、设置在压电陶瓷板的正表面和背表面上的电极以及固定于压电陶瓷板一个表面上的电极的金属板。

5.如权利要求4所述的压电电声换能器，其特征在于：压电隔膜响应于压电陶瓷板上另一个电极与金属板之间所施加的交流信号以弯曲模式整个地振动。

6.如权利要求4所述的压电电声换能器，其特征在于：所述压电隔膜由接合到基本为矩形的金属板的基本为矩形的压电陶瓷板限定，所述基本为矩形的金属板的两个短边通过弹性粘合剂附着于外壳的支承部分，所述的矩形的金属板的两个长边与外壳之间的空间由弹性密封材料密封。

7.如权利要求1所述的压电电声换能器，其特征在于：压电板包括至少将两个压电陶瓷层层叠起来的叠层体、设置在叠层体的正表面和背表面上的主表面电极、位于每个陶瓷层之间的内部电极，这里所有陶瓷层在沿厚度方向的相同方向上极化，叠层体响应于主表面电极与内部电极之间所施加的交流信号以弯曲模式整个地振动。

8.如权利要求7所述的压电电声换能器，其特征在于：所述的叠层体上为矩形，叠层体的两个短边附着到外壳的支承部分上，叠层体的两个长边与外壳之间的空间通过弹性密封材料密封。

9.如权利要求1所述的压电电声换能器，其特征在于：压电隔膜具有单面结构。

10.如权利要求1所述的压电电声换能器，其特征在于：压电隔膜具有双面结构。

11.如权利要求1所述的压电电声换能器，其特征在于：压电隔膜的压电陶瓷板和金属板为矩形，其宽度相同。

12.如权利要求11所述的压电电声换能器，其特征在于：金属板的长度大于压电陶瓷板的长度并被电连接至压电板的背表面电极。

13.如权利要求1所述的压电电声换能器，其特征在于：金属板的杨氏模量与压电板的杨氏模量相同。

14.如权利要求1所述的压电电声换能器，其特征在于：压电陶瓷板在偏离金属板的长度方向的位置上固定于金属板的第一表面，在金属板的第二表面处金属板有一露出部分。

15.如权利要求1所述的压电电声换能器，其特征在于：金属板和压电板为圆形。

16.如权利要求15所述的压电电声换能器，其特征在于：压电板被固定在为圆形的金属板的中心附近。

17.如权利要求15所述的压电电声换能器，其特征在于：金属板具有大于压电陶瓷板直径的直径。

18.如权利要求1所述的压电电声换能器，其特征在于：压电隔膜以纵向弯曲模式振动。

19.如权利要求1所述的压电电声换能器，其特征在于：外壳包括具有开口的凹陷壳体和覆盖凹陷壳体中开口的盖板。

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