CN1242922A - 压电电声换能器 - Google Patents

Abstract

一种通过超声波焊接技术将第一和第二树脂外壳元件焊接在一起并将压电振动板5夹在具有放音孔3c的第一树脂外壳元件3和第二树脂外壳元件4之间的压电声学换能器,压电振动板5用作近似为矩形平面形状的特定的振动板。结果得到一个能够即使在用超声波焊接技术安装的树脂外壳的情况下减少压电振动板的损坏的尺寸减小的压电声学换能器。

Description

压电电声换能器

发明的技术领域

本发明涉及用于压电发声器、压电扬声器、压电电话接收器等压电类型的电声换能器，尤其涉及具有罩在由超声焊接技术安装起来的树脂外壳内的压电振动盘的压电电声换能器结构的改进。

技术背景

众所周知，传统的压电电声换能器可以用作压电发声器和压电扬声器。偶尔在压电电声换能器中，要求这些换能器在某些应用场合应当在其表面上是不导电的。为此，有人建议压电电声换能器以振动盘被罩在树脂外壳内来构成。

应当承认，与其他类型的电子部件或元件一样，在技术上要求压电电声换能器能够具有更高的热阻率或热强度。因此，要求用具有增强的热阻率的合成树脂材料构成树脂外壳。然而，这样一种增强的热阻率的合成树脂材料通常缺乏粘附性，这就使得很难采用粘结或粘附技术而将多个树脂外壳结合起来的方法。

另一方面，在压电电声换能器中，还要求减小尺寸和减小厚度；考虑到这样的要求，也很难提供要求相互接合的多个树脂外壳元件的特定的形状和结构。

因此，作为一种能够便于减小尺寸和厚度并同时能够实现采用具有增强热阻率的合成树脂材料的结构的方法，有人建议采用一种压电电声换能器，这种换能器包括，通过超声焊接技术将要粘附或粘结在一起的两个树脂外壳元件形成树脂壳，用来将压电振动板配置在合成的树脂外壳内(公布的未经审查的日本专利申请，或PUJPA号：62-109499和62-109500)。

更确切地说，PUJPA 62-109499中揭示了这样一种方法，它使一对外壳元件经过超声焊接处理，而使一个圆形的或圆盘状的压电振动板保持在树脂外壳元件之间，该树脂外壳元件的某些部分间保持有压电振动板，并浸入选择的液体中。

另一种方法见PUJPA 62-109500，这种方法将圆盘状的压电振动板夹在一对树脂外壳元件之间，同时，使压电振动板由一个弹性构件支承起来，以抑制压电振动板的振动，将树脂外壳元件用超声焊接技术焊接在用以抑制振动而夹住压电振动板的那些地方以外的特定部分处。

超声焊接是一种用来将某些具有上述增强热阻率的合成树脂材料连接或粘结起来的方法；由于这一技术的实用性而无需形成用于这种外壳元件的任何特定的接合结构，所以这一技术还可以用来减小尺寸和厚度。

然而，当采用超声波焊接时，在焊接时会出现圆盘状压电振动板因超声振动传播到压电振动板一侧而自断裂的情况。因此，在PUJPA 62-109499中，压电振动板和其间支承压电振动板的一部分树脂外壳元件全部放入所选的液体中，并同时在液体的外面部分用超声波技术将树脂外壳元件焊接在一起，这样就避免了压电振动板损坏的情况。另外，在PUJAP62-109500中，强迫使圆盘状压电振动板与用来实现超声波焊接的相关弹性构件接触，并且同时用前文中讨论过的方法抑制压电振动板的振动。

换句话说，采用已知的超声波焊接技术来焊接树脂外壳元件使得可以很好地利用抗热性能极好的树脂材料，并且也适合于尺寸和厚度的减小，但是，在不花费很多的时间和进行上述繁重的工作以避免因超声波振动传播到压电振动板而使压电振动板的损坏的情况下是不会得到这些好处的。

所以，本发明的目的是提供一种压电电声换能器，这种换能器采用一种树脂外壳结构，这种外壳结构大体由用超声波焊接技术连接在一起的多个树脂外壳元件组成，组装容易，无需任何复杂的工作，如将包括压电振动板的某些部分置于液体中，以及迫使压电振动板与弹性构件直接接触来减小振动。

发明概述

如权利要求1中所述的按照本发明的压电电声换能器是这样一种压电电声换能器，它包括一个罩在外壳结构中的压电振动板，外壳结构由多个用超声波焊接技术连接在一起的树脂外壳部件或元件，其特征是，采用了一种基本上象是一个平面形状的矩形的压电振动板。

上述压电电声换能器的一个优点在于，它能够抑制压电振动板的损坏，这是因为，事实上，压电振动板被设计成具有大体为矩形平面形状，这又避免了或至少抑制了超声波焊接期间出现的振动不会局部转移到或“汇聚”在压电振动板的中心，这将从后文本发明较佳实施例的描述中会得知。

更具体地说，上述压电振动板由多个树脂外壳元件保持在其周边处。

多个树脂外壳元件最好由第一和第二树脂外壳元件组成，它们也排列成象是平面形状的矩形，接着，它们又使得压电振动板和树脂外壳元件相互在平面形状上相似，从而使得能够便于尺寸的减小和压电电声换能器的小型化。

另外，按照本发明的一个特定的方面，压电振动板有一个金属板，压电陶瓷层粘附在该金属板上，一对电极形成在压电陶瓷层的相对主平面上，其中，至少金属板大体为矩形平面形状。这样，压电陶瓷层排列成与金属板不同的平面形状，即，压电陶瓷层可以是任何其他的形状，如圆形，也可以将陶瓷层设计成与金属板相似的矩形平面形状。

按照本发明的更限定性的方面，提供的金属作为也可以用作相关的端子，即，“双功能”或“端子兼有能功(terminal-cofunctional)”金属板。这时，还提供一个引线端子(lead terminal)，它与压电陶瓷层上形成的一个电极相连，该电极与金属板是不接触的，而使端子结构金属板和引线端子从外壳起向外延伸。

按照本发明另一个限定方面，第一和第二引线构件与金属板接触，并且特定电极与金属板是电分离的。第一和第二引线构件将被引出到外壳外面。引线构件可以由某些由金属板制成的引线端或具有弹性或柔韧性的引线构成。

附图简述

图1是按照本发明的一个实施例的压电电声换能器的透视图。

图2是图1所示压电电声换能器的纵向截面图。

图3(a)到(d)是描述该实施例中使用的第一树脂外壳元件的图，其中，图3(a)是底面图，图3(b)是图3(a)中沿B-B线的截面图，图3(c)是平面图，而图3(d)是图3(a)中沿D-D线的截面图。

图4是沿图3(a)中A-A线的放大截面图。

图5(a)到(d)是描述本发明的一个实施例中的第二个树脂外壳元件的图，其中，图5(a)是平面图，图5(b)是沿图5(a)中B-B线的截面图，图5(c)是底面图，而图5(d)是沿图5(a)中的D-D线的截面图。

图6是沿图5(a)的E-E线的局部截面图。

图7是用在本发明的一个实施例中的压电振动板的平面图。

图8是说明组装过程的压电电声换能器的透视分解图。

图9(a)是说明其状态的一种模型的平面图，其中，振动在圆盘状压电振动板中传播，而图9(b)是说明在从矩形压电振动板的外围提供振动的情况下传播状态的平面图。

图10(a)是说明进行机械加工期间树脂外壳的边角部分出现的凸起部分的局部截面透视图，而图10(b)是说明具有截除部分结构用以去除机械结构时出现的边角部分的凸起部分的局部截面透视图。

图11是说明采用本发明的压电电声换能器的一种修改形式的分解图。

图12是按照本发明的压电电声换能器的另一种修改形式的透视图。

图13(a)和图13(b)是说明另一种修改形式的平面图，这种修改形式使得压电振动板和树脂外壳都具有大体为矩形的形状，在其边角部分有一个截除部分。

图14(a)和图14(b)是说明采用图13中所示的压电声学换能器的压电振动板的平面形状的图。

图15(a)和图15(b)是说明本发明中使用的压电振动板的平面形状的另一种改进形式的图。

实施本发明的最佳形式

通过下面参照附图对本发明的几个较佳实施例的描述，读者将会清楚地理解本发明的原理，尽管本发明并非局限于这些实施例。

图1是按照本发明的一个实施例的压电电声换能器的透视图，而图2描述的是其截面图。

压电电声换能器1是用树脂外壳结构2构成的。树脂外壳2基本上是用第一树脂外壳元件3和第二树脂外壳元件4构成。正如将在后文中详述的那样，树脂外壳元件3、4是用超声波焊接技术连接在一起的，从而可以容易地得到坚固的连接，即使是在用具有增强抗热性的合成树脂材料制成的。

第一树脂外壳元件3有一个矩形的顶面或“屋面”3a和一个从顶面3a的边缘向第二树脂外壳元件4的侧面延伸的侧壁3b。顶面3a有多个放音孔(soundrelease hole)3c，放音孔3c延伸穿过顶面3a。放音孔3c的形状和数量并不仅限于图中所示的结构。换句话说，可以使用任何具有不同形状的放音孔。

外壳元件3的细节示于图3(a)至3(d)中。从图3中可以看到，分别在侧壁3b的对面形成有截去部分3d、3e。图2中，一个截去部分3d是一个向下的开孔；该截去部分3d用来在外壳的侧面上构成放音孔。

另外，截去部分3f、3g形成在侧壁3b的其余两个相向的侧面中央，这两个相向的侧面不同于形成截去部分3d、3e的侧壁，并在各个截去部分3f、3g处形成凸起部分3h、3i。形成凸起3h、3i是为了支承压电振动板以及其相关的端子，这将在后文中详述。注意，在本实施例中，凸起3i在高度上比凸起3h小。还要注意，截去部分3e仅仅用于稳定的堆积浇口块(gate block)，用于外壳结构的机械加工期间，因此不是本发明所必须的。

同时，正象从图4可以看到的那样(图4是沿图3(a)中A-A线截取的截面图)，在除形成截去部分3d-3g以外的侧壁3b内的选择部分形成台阶部分3j。

下面参照图5和图6说明图2的第二树脂外壳元件4的细节。

如图5(a)和5(b)所示，第二树脂外壳元件4由选择的大体呈矩形平面形状的合成树脂材料制成。树脂外壳元件4具有突缘4c。每一突缘在靠近形状象矩形的底面4a的外缘的地方沿平行于外缘的方向伸长。每一突缘4c的形状在尾端处的形状呈点状孔隙形状；该突缘4c用作牢固地支承上面讨论的压电振动板。

另一方面，正如从图6中可以清楚地看到的那样(图6是沿图5(a)中的E-E线截取的局部放大截面图)，在每一侧突缘4c外面选择的部分处形成另一个突缘4d，使之沿平行于其相应的外缘的方向延伸。突缘4d等效于一个用超声波焊接技术焊接到树脂外壳元件3的外平面边缘部分3x的一个部分。

再回到图2，压电振动板5位于或“夹在”第一和第二树脂外壳元件3、4之间。正如从图7中的底面可以看到的那样，压电振动板5具有这样一个结构，其中的压电陶瓷层7粘附在金属板6的下表面上，电极8形成在压电陶瓷层7的相向主表面上。

金属板6有一个大体呈矩形平面形状的金属板主体6a，上面形成压电陶瓷层7，端子部分6b从该金属板主体6a一侧的中央延伸。更具体地说，将金属板6设计成双功能的或“端子兼有功能”的金属板，如图1和图2所示，端子部分6b从外壳2的外面起延伸。

压电陶瓷层7由合适的压电陶瓷如锆钛酸铅压电陶瓷形成，该实施例中，将其平面形状设计成象一个圆形或圆盘。这里注意，也可以将压电陶瓷层7设计成使其平面形状呈任何一种形状，如矩形等。

关于压电陶瓷层7，其结构是通过在金属板6上层叠一个事先烧固的压电陶瓷板。也可以不采用层叠，而通过在金属层6上直接形成压电陶瓷层随后进行极化(polarization)过程。这样，可以在某一不与压电陶瓷层的金属板接触的一侧上单独地形成电极。

实施本发明的压电电声换能器1的组件是如图8中所示而进行的，图中示出的是用于说明的分解图。更具体地说，第一和第二树脂外壳元件3、4相互接合，而使得压电振动板5和金属端子9保持在这些元件之间。注意，在图8中，压电振动板5是用陶瓷层7和电极8一起形成在其顶面上的。关于金属端子9，只要确保尾端坚固地与电极8接触，就可以采用任何一种合适的结构。该实施例中，该端子是通过使接触部分9b在其尾端处形成弯曲部分9a以一定弹性与电极8接触来排列的。这样，采用选择的粘结剂如焊料、导电粘结剂就可以在其间形成更坚固地接触或连接。

在用上述方法完成安装以后，用超声波焊接技术使树脂外壳元件3、4相互接触并连接在一起。因超声波焊接而形成的连接是以这样的方式来实现的，即，通过超声波焊接技术将上述树脂外壳元件3的外平面边缘部分3x焊接到树脂外壳元件4的突缘4d上。

按照本实施例的压电电声换能器1的一个显著特征是，即使进行超声波焊接，也很难损坏压电振动板5的压电陶瓷层7。这将在下面参照图9(a)和9(b)来说明。

一种典型的现有技术的压电电声换能器是，将其压电振动板设计成具有圆盘形状。因此，如图9(a)中的箭头所示，压电陶瓷会因超声波振动在从外向圆盘中心局部集中时而损坏。相反，如图9(b)所示，具有矩形平面形状的压电振动板10，即使超声波振动传播到其边缘，也会迫使超声波沿平行于矩形压电振动板10的每一侧的方向传播。因此，振动分量会在压电振动板10的外缘部分处一个个散开或抵消，从而使压电陶瓷坚固而不易损坏。

因此，在本实施例的压电电声换能器1中，因压电振动板5的特定设计具有矩形平面形状或确认与此等效的形状，即使在超声波焊接期间超声波振动会传播到压电振动板5，但压电陶瓷层7仍然不易损坏。

下面根据一些实际的实验例子说明压电振动板的矩形形状设计的优点。

对于图1中所示实施例的压电电声换能器，其结构包括被设计成具有16mm乘以16mm的正方形形状的外壳2，以及呈14mm乘以14mm的正方形的压电振动板5。为了进行比较，用现有技术制备一个直径为16mm的平面圆形压电电声换能器，压电振动板是一个直径为14mm的圆形平面形状。采用特定相同的参数，如超声波焊接和压电振动板支承技术，用超声波焊接进行实验，评价压电振动板和树脂外壳易损坏程度。

对于任何一种实施例和现有技术，制备20个压电电声换能器试验样品，随后经过超声波焊接，在3kg的压力下在19kHz下以及0.3秒300W下安装。其结果是，本实施例的压电电声换能器无论是压电陶瓷层还是外壳都没有损坏，而现有技术的压电电声换能器中，压电陶瓷层有35％的损坏率，外壳有10％的损坏率。

因此，实验证明，本实施例的压电电声换能器设计成其压电振动板大体为矩形形状，可以在用超声波技术安装时压电振动板和外壳不易损坏。

应当指出，对大体为矩形的树脂外壳如第一和第二外壳元件3、4进行加工的情况下，有时会在如图10(a)所示的角落部分处的侧壁之间形成向内凸出的部分或“隆起”11，使得成品的特性和机械强度下降。避免出现这种情况的一种最好的方法是在如图10(b)所示树脂外壳元件3、4的每一角落处的侧壁部分上形成一个截取部分12，从而避免出现因上述隆起11而出现的性能的下降和机械强度的降低。最好在第二树脂外壳元件4处形成一个截取部分12，而第二树脂外壳元件4是通过插入到第一树脂外壳元件3中而接合的。采用这样的结构，从外表上不容易看到该截取部分。

(修改形式)

尽管图1和图2所示的压电电声换能器使得压电振动板5的金属板6具有双功能或“端子兼有功能”金属板而该双功能金属板也用作一个相关的金属端子，但本发明不仅仅限于这样一种与压电振动板5的金属板6相关的端子-双功能金属板。更具体地说，如图11所示，也可以用大体为矩形的金属板6来设计压电振动板5；这时，第一引线13与金属板6接触，而第二引线14与在压电陶瓷层7上形成的用作从外壳起向外延伸的电极8接触。这样，如图12所示，压电电声换能器15可以具有从外壳向外延伸的第一和第二引线13、14。

应当注意，压电电声换能器15在结构上与图1所示实施例的压电电声换能器1相似，其中，对金属板6的形状作了修改，并且另外还采用了第一和第二引线13、14。因此，即使用超声波焊接技术将树脂外壳元件3、4连接在一起，也不易损坏压电陶瓷层7，所采用的方法与上述压电电声换能器1的方法类似。

(另一种修改形式)

虽然压电振动板呈大体矩形的形状从而使金属板5形成为大体矩形的形状很重要，但第一和第二树脂外壳元件也可以是除这样一种近似为矩形形状以外的任何一种形状。然而，最好还是将树脂外壳元件的形状设计成矩形的平面形状，这是因为，当这种换能器采用具有这样一种大体为矩形平面形状的压电振动板的时候，可以使压电电声换能器小型化。

另外，如图13(a)和13(b)所示，可以将外壳2设计成大体为矩形的形状，并将其角落部分部分截除。

按照本发明的压电电声换能器的主要特征是，压电振动板的形状被大体设计成为矩形形状。这里注意，术语“矩形”不应当在意义上仅局限于诸如正方形、细长矩形的矩形，还可以是指其任何一种等效；举例来说，如图14(a)和14(b)所示，压电振动板5可以以这样的方法来修改，即，沿斜线方向局部切除其角落部分，或者将其角落部分切成圆形从而使金属板6适合于图13(a)h13(b)中所示的外壳。换句话说，可以将压电振动板5设计成近似为矩形形状，而在其角落部分有一个以上的截除部分。

另外，如图15(a)和15(b)所示，构成压电振动板的金属板6的外缘处可以是任何一种随机的结构。尽管图15(a)和15(b)中，凹进部分6c和凸起部分6d是用几个直线段的组合形成的，但也可以用曲线段的组合来形成。

另外，本发明人的实验揭示，当上述压电振动板的矩形长、短边之比在仔细选择的范围内-最好在0.3到0.1的范围内时，是最适合于电声换能器的。

工业实用性

按照本发明，尽管事实上外壳是将多个树脂外壳元件用超声波焊接技术焊接在一起形成一个完整的壳体，但即使在超声波焊接期间振动传播到压电振动板的情况下，由于压电振动板是设计成大体为矩形平面形状的，所以这样的振动是很难传送到压电振动板的中央的，从而可以成功地避免压电振动板的损坏或至少大大抑制了压电振动板的损坏。

因此，在用超声波进行焊接期间，就不再要求进行将压电振动板浸入液体内以及用弹性构件来阻尼压电振动板的烦琐的工作，而使得与现有技术相比，可以更加容易地安装压电电声换能器，并且通过采用具有增强抗热性能的合成树脂可以提供高抗热性能的压电电声换能器。由于无需用于树脂外壳元件的接合结构，就使得还可以满足减小压电电声换能器的尺寸和厚度的要求。

当将第一和第二树脂外壳元件排列成大体为矩形的形状时，可以将第一和第二树脂外壳元件设计成与压电振动板的形状一致，这就使得可以进一步满足压电电声换能器小型化的要求。

当压电振动板具有金属板、压电陶瓷层和电极并且至少金属板被设计成大致为矩形平面形状时，即使在超声波焊接期间出现振动传播到金属板的情况，这样的振动也很难被传送到压电振动板的中央，从而可以成功地减小压电陶瓷层的易损性。

当金属板是端子兼有功能金属板时，其中的换能器还包含与相应于不接触金属板的所述压电陶瓷层上形成的一个电极相连的引线端，并且其中的所述端子兼有功能金属板和所述引线端是从外壳取出的，那么这时由于金属板是双功能的而可以减小压电电声换能器必要部件或元件的数量，这时的双功能板还可以用作相关的引线端，使得压电电声换能器安装期间外部连接所需的引线端子局限于用来连接压电陶瓷上形成的电极的一个引线端子。

当第一和第二引线构件分别与金属板和电极接触用来从外壳延伸到外面时，可以用具有柔软性的引线构成第一和第二引线构件，以及用金属板构成第一和第二引线构件。更具体地说，可以恰当地改进第一和第二引线构件的材料，使之与压电电声换能器所安装的部件一致。因此，就方便了按照压电电声换能器的应用对其进行的排列。

Claims (9)

1.一种压电电声换能器(1)，它具有存放在用超声波焊接技术焊接在一起的多个树脂外壳元件(3，4)构成的外壳(2)内的压电振动板(5)，其特征在于，采用具有大体为矩形平面形状的压电振动板(5)。

2.如权利要求1所述的压电电声换能器(1)，其特征在于，所述压电振动板(5)夹在多个树脂外壳元件(3，4)之间的边缘部分处。

3.如权利要求1或2所述的压电电声换能器(1)，其特征在于，所述多个树脂外壳元件(3，4)是大体为矩形平面形状的第一和第二树脂外壳元件(3，4)。

4.如权利要求1或2所述的压电电声换能器(1)，其特征在于，所述压电振动板(5)具有金属板(6)、粘附在金属板(6)上的压电陶瓷层(7)和形成在压电陶瓷层(7)的相对主表面上的电极(8)，并且其中至少所述金属板(6)的平面形状大体为矩形形状。

5.如权利要求3所述的压电电声换能器(1)，其特征在于，所述压电振动板(5)具有金属板(6)、粘附在金属板(6)上的压电陶瓷层(7)和形成在压电陶瓷层(7)的相对主表面上的电极(8)，并且其中至少所述金属板(6)的平面形状大体为矩形形状。

6.如权利要求4所述的压电电声换能器(1)，其特征在于，所述金属板(6)是端子兼有功能金属板(6a，6b)，所述换能器(1)还包含与相应于不接触金属板(6)的所述压电陶瓷层(7)上形成的一个电极(8)相连的引线端子，并且所述端子兼有功能金属板(6a，6b)和所述引线端子从外壳(2)向外取出。

7.如权利要求5所述的压电电声换能器(1)，其特征在于，所述金属板(6)是端子兼有功能金属板(6a，6b)，所述换能器(1)还包含与相应于不接触金属板(6)的所述压电陶瓷层(7)上形成的一个电极(8)相连的引线端子，并且所述端子-双功能金属板(6a，6b)和所述引线端子从外壳(2)向外取出。

8.如权利要求4所述的压电电声换能器(1)，其特征在于，它还包含分别与所述金属板(6)以及不接触所述金属板的电极相连的第一和第二引线构件(13，14)，并且所述第一和第二引线构件(13，14)从外壳(2)向外延伸。

9.如权利要求5所述的压电电声换能器(1)，其特征在于，它还包含分别与所述金属板(6)以及不接触所述金属板的电极相连的第一和第二引线构件(13，14)，并且所述第一和第二引线构件(13，14)从外壳(2)向外延伸。

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