CN1265001A - 电声换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电声换能器,它包含振动板,所述振动板含有基本上矩形的金属板和基本上矩形的压电板,所述压电板的上表面和下表面上具有电极,其中一个电极连接到金属板。设置支持媒体,它包含支持部分,用于支持振动板的两个较短侧。振动板的较短侧由固化后的杨氏模量在大约4.0×104到大约5.0×106N/M2之间的粘剂固定到支持部分。用一种弹性密封材料密封振动板的两个较长侧与支持部件之间的缝隙。通过在金属板和设置在压电板上的相对电极之间施加预定的电信号,将振动板安排得经受纵向弯曲模式的振动。

Description

电声换能器
本发明涉及一种电声换能器，诸如压电接收器、压电发声器、压电扬声器以及压电蜂鸣器，本发明还涉及一种夹持压电振动板的方法。
在诸如移动电话之类的设备中，电声换能器已经被广泛地用作压电接收器。通常，这种类型的电声换能器包含具有圆形金属板和设置有电极的圆形压电陶瓷板的单块振动板，其中一个电极结合到金属板。振动板的周围被支持在圆形罩子中，其中周围的区域由盖子密封。这种电声换能器被揭示在例如第7-107593号日本未审查专利公告或第7-203590号日本未审查专利公告中。
应用于已知的电声换能器的圆形振动板在其整个周围都被支持，由此，仅仅在振动板的中心点设置最大偏离点P，由此减小了位移。已知的电声换能器的一个问题是，由位移产生的能量产生的声压相对于为偏离而输入的能量来说小。
为了克服所述问题，本发明的较佳实施例提供了一种产生高声压的电声换能器。
本发明的一个较佳实施例提供了一种电声换能器，它有一个振动板，振动板具有基本上矩形的金属板和基本上矩形的压电板，压电板的上表面和下表面上具有电极，电极中的至少一个结合到基本上矩形的金属板；支持部件，包含支持部件，用于支持振动板的两个较短侧；粘剂，其固化后的杨氏模量在大约4.0×104到大约5.0×106N/M2之间，并安排得将振动板的两个较短侧连接到支持部分；弹性密封材料，安排得密封振动板的两个较长侧与支持部件之间的缝隙，其中将振动板安排得当在金属板和设置在压电板的上表面上的电极之间施加预定的电信号时，以纵向弯曲模式振动。
根据本发明的较佳实施例的上述结构和安排，将基本上矩形的振动板的两个较短侧固定到支持部件的支持部分，并且基本上矩形的振动板的两个较长侧和支持媒体之间的缝隙由弹性密封材料密封。通过在金属板和设置在压电板上的、与金属板相对的电极之间施加预定的电信号，振动板以纵向弯曲模式偏离。即，振动板垂直地振动，其中，两个纵向端部为固定到支持媒体的支持点。由弹性密封材料弹性密封的基本上矩形的振动板的两个较长侧不限制振动板的偏离。
由圆形振动板的偏离引起的位移小，这是因为振动板在其周围被固定到支持媒体，由此，只在中心点设置最大的位移点P，如图1A所示。另一方面，由基本上矩形的振动板的偏离引起的位移比圆形振动板大，因为如图1B所示，沿振动板的两个纵向端部之间的中线设置最大偏离点P，这使声压能够更高。换句话说，当取得相同的声压值时，基本上矩形的振动板比圆形振动板更容易小型化。
通常用于粘合的环氧基粘剂在固化后的杨氏模量的数量级为大约107到大约108N/M2。当通过这样的硬的粘剂将振动板的两个纵向端部固定到支持部件时，由振动板的偏离引起的位移无法大，因为振动板的两个纵向端部被保持不动了。当施加固化后杨氏模量为低于4.0×104N/M2的柔软粘剂时，整个振动板可以以接近于自由的状态振动。在完全自由的状态下，位移无法大，因为振动板振动时，节点在从每一个纵向端部起距离其整个长度的1/6的地方。
图2是曲线图，示出了粘剂在固化后的杨氏模量和振动板的位移之间的关系曲线，其中振动板的两个较长侧处于自由状态，并且将要施加的电信号是非谐振区域的电压信号。
图2中的曲线图示出当粘剂在固化后的杨氏模量在大约4.0×104N/M2和大约5.0×106N/M2之间时，位移非常大，而当杨氏模量超过5.0×106N/M2时，位移急剧减小。
根据本发明，用于将振动板的两个纵向端部固定到支持媒体的粘剂固化后的杨氏模量在大约4.0×104N/M2和大约5.0×106N/M2之间。当施加固化后的杨氏模量在大约4.0×104N/M2和大约5.0×106N/M2之间的粘剂时，以纵向弯曲模式振动(两个纵向端部是支持点)的振动板可以提供比当端部被支持或当它们处于自由的状态时更大的位移。如此生产的振动板可以产生高的声压。
图3是曲线图，示出固化后弹性密封材料的杨氏模量与振动板的位移之间的关系。曲线图示出了两种情况，即施加固化后的杨氏模量为大约4×105N/M2的粘剂来固定振动板的两个较短侧的情况和施加固化后的杨氏模量为大约4×109N/M2的粘剂来同样固定较低侧的情况。要施加的电信号是非谐振区域的电压信号。
图3中的曲线图示出当固化后的杨氏模量为大约5.0×106N/M2或更小时，位移非常大，而当密封材料固化后的杨氏模量超过大约5.0×106N/M2时，位移急剧的减小。密封材料固化后杨氏模量在低于大于4.0×105N/M2时，位移不变化。
因此，较好地，用于密封振动板的两个横向端部和支持媒体之间的缝隙的弹性密封材料固化后的杨氏模量不大于大约5.0×106N/M2。即，施加弹性密封材料仅仅是为了防止空气穿过振动板，因此其杨氏模量设置得尽可能低，以便在振动板纵向弯曲模式的偏离中施加尽可能小的限制。
当振动板被安置成纵向弯曲模式的弯曲振动中时，比弹性密封材料的杨氏模量更高的粘剂的杨氏模量提供更好的特性。
下面将参照本发明的较佳实施例和附图，详细描述本发明的其它特点、要素和优点。
从下面给出的详细的描述，可以更为完全地理解本发明，并且这些详细的描述只以说明的形式给出，不限制本发明的范围。
图1A示出一个圆形振动板，用于和图1B中的振动板比较其表面偏离。
图1B示出了一个基本上矩形的振动板，用于和图1A中的振动板比较其表面偏离。
图2是一个曲线图，示出粘剂在固化之后的杨氏模量与基本上矩形的振动板的位移之间的关系；
图3是一个曲线图，示出密封材料在固化之后的杨氏模量与基本上矩形的振动板的位移之间的关系；
图4是一个透视图，示出根据本发明的第一较佳实施例的电声换能器；
图5示出图4所示电声换能器的截面图；
图6为用于图4所示的电声换能器的振动板的透视图；
图7示出图4所示的电声换能器的声压特性曲线；
图8是根据本发明的第二较佳实施例的电声换能器的透视图；
图9是图8所示的电声换能器沿线X-X的截面图；
图10是图8所示的电声换能器沿线Y-Y的截面图；
图11是从底部看盖子和振动板的分解透视图；
图12是从其底部看处于组装状态下的盖子和振动板时的透视图；及图13是盖子和基片的分解透视图。
图13是盖子和基片的分解透视图。
图4和图5是对根据本发明的第一较佳实施例的、用于压电接收器的电声换能器的说明。
压电接收器最好包含有单块振动板1(unimorphic)和作为支持媒体的罩子10。振动板1可以由罩子10和振动板1上的盖子(图中未示)密封。
在图6中，振动板1包含基本上矩形的压电板2，该压电板2沿厚度方向极化，其上表面和下表面上设置有薄膜或厚膜电极2a和2b，还有基本上矩形的金属板3，它的宽度基本上相等于和长度稍大于压电板2。金属板3通过导电粘剂或类似的材料结合到压电板2的下表面上。金属板3可以通过导电粘剂与压电板2的下表面连接，而省略下表面电极。根据本发明的较佳实施例，压电板2最好结合在紧靠金属板3的较短侧的位置，从而金属板3的暴露的部分3a设置在金属板3的另一个较短侧。
压电板2最好由诸如PZT之类的压电陶瓷制成。金属板3最好由具有回弹力和导电性的材料制成。用于形成金属板3的材料的杨氏模量最好和压电板2接近。因此，可以使用磷铜、42Ni合金或其它类似的材料。可以通过42Ni合金材料得到更为可靠金属板，因为合金的热膨胀系数接近于诸如PZT之类的陶瓷。
可以通过下面的工艺产生振动板1。通过毛坯模子，将陶瓷生片冲压成基本上矩形的母片。给母片设置电极，然后将其极化。然后，用导电粘剂或类似的物质，将母片结合到金属母板。结合后的母片和金属母板用诸如切块机之类的工具，沿其长度线和宽度线切割成基本上矩形，以得到振动板。基本上矩形的振动板1提供了诸如高材料利用率、高生产效率和低设备成本之类的优点。
参照图5，振动板1在其周围由罩子5支持。罩子10由诸如陶瓷或树脂之类的绝缘材料制成，并具有基本上为矩形的盒子形，它包括底板11和四个侧壁12和13。当使用树脂形成罩子10时，最好使用耐热的树脂，诸如LCP(液晶聚合物)、SPS(间同聚苯乙烯)、PPS(聚苯硫化物)，或环氧树脂。在底板11的大致中心部分设置一个声音释放孔14。
如此安排振动板1，从而其中含有的金属板3和底板1相对。振动板1的两个较短侧通过粘剂4固定到罩子10在较短侧12的侧壁，确定了支持部分。粘剂4含有在固化状态下具有弹性的粘剂，诸如氨基甲酸乙酯或者聚硅酮，其中粘剂的杨氏模量在固化后大约4.0×104到大约5.0×106N/M2。当将振动板的两个较短侧固定到罩子10的支持部分12时，在振动板1的较长侧和罩子10的侧壁13之间形成缝隙δ。提供弹性密封材料与密封缝隙δ。弹性密封材料5由诸如硅橡胶之类的弹性材料或其它适当的材料制成，它在固化后的杨氏模量不大于大约5.0×106。由罩子10确定了谐振空腔6，并将振动板1设置在罩子10上。
将导线7和8连接到金属板3和压电板2的上表面电极2a，，它延伸到罩子10的外面，以连接到电源9，用于输出基本上矩形的波信号或正弦波信号。通过在导线7和8之间施加基本上矩形的波信号或正弦波信号，振动板1以纵向弯曲模式震动，其两个纵向端部(两个较短侧)确定了支持点。由谐振空腔6中的谐振产生的声音通过声音释放孔14释放。
金属板3和压电板2的上表面电极2a可以通过设置在罩子10中的两个导电部分连接到外部单元(该外部单元通过使用导电膏，连接到金属板和上表面电极2a)。特别地，根据本发明的较佳实施例的振动板1达到这样的优点，可以容易地通过导电膏，连接金属板3的暴露部分3a和罩子10的导电部分，以及压电板2的上表面电极2a和其它的导电部分，这是因为当金属板3固定得与罩子10的底板11相对，暴露的部分3a设置在振动板1的纵向端部时，上表面电极2a和暴露部分3a朝上暴露。
下面的描述用于揭示如上所述安排的压电接收器的工作。
根据施加在导线7和8之间的频率信号的频率中的变化，声压改变，如图7所示。当声压在振动板1的谐振频率f1处升高到峰值P1时，在声压峰值P1的低频侧，由谐振空腔6中的谐振产生声压峰值P2。
当在振动板的非谐振频率区域而不是谐振频率区域中使用压电接收器时，振动板1的位移根据每一种粘剂4和弹性密封材料5的杨氏模量改变，如图2和图3所示。当固化后粘剂4的杨氏模量在大约4.0×104N/M2和大约5.0×106N/M2之间，并且弹性密封材料5在固化后的杨氏模量不大于大约5.0×106N/M2时，得到最大的位移，它产生最高声压。通过声压峰值P2(可以由谐振空腔6中在谐振频率的低频侧的谐振得到)可以在宽范围内得到全部高声压，由此提供具有极好的特性的压电接收器。
图8到13示出了根据本发明的第二较佳实施例，施加给压电蜂鸣器的电声换能器。压电蜂鸣器最好包含单块型振动板1、盖子20和基板30。振动板1具有和图6所示的相同的配置，相同的组件用相同的标号表示，并省略了对它们的描述。
振动板1倒过来安装在盖子20的内部。盖子20最好具有基本上是盒子的形状，并包含一个上底20a和四个侧壁20b，它们由诸如陶瓷或树脂之类的绝缘材料制成。由阶梯状的切割部分确定的支持部分20c安排得支持振动板1的两个端部，并整体地形成在两个相对的侧壁20b的内侧。当支持部分20c的支持表面变小时，声压增加，并且谐振频率减小。当使用树脂形成盖子20时，最好是耐热树脂，诸如LCP、SPS、PPS或者环氧树脂。将声音释放孔20d设置在上底20a的中央。在一对相对的侧壁20b的开口的凸缘上形成切去部分20e。在剩下的一个侧壁20b的开口凸缘处设置阻尼孔20b。
振动板1安装在盖子20中，从而金属板3和上底20a相对。将振动板1的两个较短侧设置在支持部分20c上，并用粘剂21固定在那里。可以将已知的绝缘粘剂用作粘剂21，诸如环氧树脂、氨基甲酸乙酯、聚硅酮或其它类似的物质。粘剂的杨氏模量在固化后安排得从大约4.0×104N/M2至大约5.0×106N/M2。当将振动板1固定到盖子20在振动板1的两个较短侧的支持部分20c时，在振动板1的两个较长侧和盖子20的内部表面之间提供了小缝隙，它通过弹性密封材料22被密封。弹性密封材料22的杨氏模量在固化后不大于大约大约5.0×106N/M2，特别地，使用诸如硅橡胶之类的弹性材料。由此，通过振动板1和盖子20的上底20a确定了声空间。
将盖子20结合到基片30时，振动板1如上所述地固定。基片30最好包含诸如陶瓷或树脂之类的绝缘材料，并确定了基本上矩形的板。当使用树脂形成基片30时，使用诸如LCP、SPS、PPS环氧树脂(还氧钢化玻璃)或其它类似的物质的耐热树脂。电极33和34安排得从上表面延伸到下表面(在基片30的纵向端部，通过通孔槽31和32)。如图11和12所示，导电膏35和36设置在盖子20的一对相对切去部分20e处，例如设置在金属板3的暴露部分3a和压电板2的上表面电极2a上，它们设置在振动板1的端部。导电膏37和38设置在基片30的电极33和34上，它们和导电膏35和36相对。盖子20的开口凸缘处结合在基片30上。通过丝网印刷或其它类似的方法，给盖子20的开口凸缘或基片30的盖子连接部分提绝缘粘剂，如图10所示。导电膏35和37连接金属板3的暴露部分3a和基片30的电极33，并且导电膏36和38连接压电板2的上表面电极2a和基片30的电极34。通过热固化或大气固化导电膏35到38以及绝缘粘剂39(如上所述地安排)，完成了一个表面安装的电声装置。
通过在设置在基片30上的电极33和34之间施加预定的频率信号(交流信号或矩形波信号)，振动板1以纵向弯曲模式振动，纵向端部确定了支持点，振动板1由盖子20在振动板1的纵向端部处的支持部分20c固定，并在振动板1的横向端部由弹性密封材料22以可弹性偏离的状态支持。由此产生预定的蜂鸣声，它通过声音释放孔20d释放。
根据上述较佳实施例，振动板1由金属板3支持，它朝盖子20的上底20a设置，从而压电板2的上表面2a和金属板3的暴露部分3a和基片30相对，以帮助上表面电极2a和电极34，以及暴露部分3a和电极33的结合(通过导电膏35至38)。
根据以上的较佳实施例，导电膏35到38设置在盖子20和基片30上，以确保结合。导电膏可以设置在盖子20和基片30中的一个上。
根据本发明的较佳实施例，将弹性密封材料22不仅设置在振动板1的两个较长侧，还设置在振动板1的两个较短侧上，如图11所示。这种安排防止了当通过导电膏36和38结合压电板2的上表面电极2a和基片30的电极34时，由粘到金属板3的导电膏36引起的短路。通过将弹性密封材料22的绝缘薄膜设置在金属板3的周围，防止了短路的危险。还有，这种安排通过密封振动板1的整个周围，防止了空气通过振动板1泄漏。
将振动板固定到盒子形状的罩子的侧壁的顶部，如图4和5所示。但是，振动板可以通过不同的方式固定到不同配置的基片上，例如，振动板可以固定到平面基片上。
还有，可以将罩子分为多个分块这样分开的每一个分块都可以设置一个振动板。
振动板可以包含金属板的整个表面(金属板被结合在其上的压电板覆盖)，如图1中的1B所示，而替代了设置在金属板的纵向端部上的暴露的部分。
根据部分的较佳实施例，可以使用双块的振动板替代单块的振动板，双块振动板中压电陶瓷板结合在金属板的两个表面上，单块振动板中压电陶瓷板结合在金属板的一个表面上。
根据本发明的较佳实施例的振动板可以应用于在非谐振区域中使用的电声换能器，诸如压电接收器、压电发声器和压电扬声器，还可以应用于谐振区域中使用的电声换能器，诸如压电蜂鸣器，这是因为在谐振区域中，图2和3所示的振动板可以得到相同的特性。
.根据本发明的较佳实施例，如上所述，振动板的位移可以大于已知的圆形振动板的位移，这是因为基本上矩形的振动板通过粘剂固定到基本上矩形的振动板的两个较短侧的支持部分，基本上矩形的振动板的两个较长侧和基片之间的缝隙由弹性密封材料密封，振动板以纵向弯曲模式经历弯曲振动，其两个较短侧确定支持点。如果使用杨氏模量是大约4×104到5×106N/M2的粘剂来固定振动板的两个较短侧，则可以得到更大的位移，由此使电声换能器能够具有更高的声压。
当弹性密封材料固化后的杨氏模量不大于5.0×106N/M2，并且粘剂在固化后的杨氏模量在大约4×104到5×106N/M2时，可以得到与振动板的偏离引起的最大位移，由此可制造一种电声换能器，它的声波换能效率高。由于大致上为矩形的振动板，因此与产生相同声压级的圆形振动板相比，其尺寸可大为缩减。
虽然已经参照本发明的较佳实施例，具体示出和描述了本发明，熟悉本领域的技术人员将知道，在本发明本发明的主旨的条件下，可以有形式上和细节上的改变。

Claims (20)

1.一种电声换能器，其特征在于包含：
振动板，包含基本上矩形的金属板和基本上矩形的压电板，所述压电板的上表面和下表面上具有电极，至少一个所述电极结合到所述基本上矩形的金属板的一个表面上；
罩子，具有一个支持部件，所述支持部件包含用于支持振动板的两个较短侧的支持部分
粘剂，所述粘剂在固化之后的杨氏模量在大约4.0×104N/M2到5.0×106N/M2之间，并安排得将振动板的两个较短侧固定到支持部分；
弹性密封材料，密封振动板的两个较长侧与支持部件之间的缝隙；其中
安排振动板使得当在金属板和压电板的上表面上设置的电极之间施加预定的电信号时，以纵向弯曲模式振动。
2.如权利要求1所述的电声换能器，其特征在于弹性密封材料在固化后的杨氏模量不大于大约5.0×106N/M2。
3.如权利要求1所述的电声换能器，其特征在于电极包含薄膜电极或厚膜电极中的至少一个。
4.如权利要求1所述的电声换能器，其特征在于所述金属板由杨氏模量基本上和压电板的相同的具有回弹力的材料制成。
5.如权利要求1所述的电声换能器，其特征在于基本上矩形的金属板的长度比压电板长度长，其宽度大致上和金属板的宽度相等，其中所述压电板与所述金属板结合，从而金属板的长度部分暴露。
6.如权利要求1所述的电声换能器，其特征在于罩子还包含四个侧壁和底板，还有位于所述底板的大致中心部分的声音释放孔，其中所述金属板和所述底板相对，并且支持部分包含罩子的两个较短的侧壁。
7.如权利要求1所述的电声换能器，其特征在于罩子由一种绝缘材料制成，所述绝缘材料包含陶瓷和树脂中的至少一种。
8.如权利要求1所述的电声换能器，其特征在于所述金属板由磷铜和42Ni合金中的至少一种制成。
9.如权利要求1所述的电声换能器，其特征在于还包含连接到金属板的导线以及设置在压电板的上表面上的电极中的一个电极。
10.如权利要求1所述的电声换能器，其特征在于还包含罩子上的一个盖子，以便密封振动板。
11.如权利要求1所述的电声换能器，其特征在于还包含由设置在罩子上的振动板确定的谐振空腔。
12.如权利要求1所述的电声换能器，其特征在于压电板沿其厚度方向极化。
13.一种用于电声换能器中的振动板，其特征在于包含：
至少一个基本上矩形的金属板；
基本上矩形的压电板，其上表面和下表面上具有电极，其中，压电板的宽度基本上等于基本上矩形的金属板的宽度，所述压电板的长度比所述金属板的长度更短，至少一个电极结合到金属板的表面上，从而金属板的长度部分是暴露的。
14.如权利要求12所述的振动板，其特征在于电极包含薄膜电极和厚膜电极中的至少一个。
15.如权利要求12所述的振动板，其特征在于所述金属板由具有回弹力的材料制成，所述材料的杨氏模量基本上和压电板的相同。
16.如权利要求12所述的振动板，其特征在于金属板由磷铜和42Ni合金中的至少一种制成。
17.如权利要求12所述的振动板，其特征在于上表面电极和下表面电极结合到基本上矩形的金属板。
18.一种电声装置，其特征在于包含：
多个振动板，所述每一个振动板包含基本上矩形的金属板和基本上矩形的压电板，所述压电板的上表面和下表面上具有电极，至少一个电极结合到基本上矩形的金属板的表面上；及
罩子，具有多个分区，其中每一个所述分区具有支持部件，所述支持部件含有用于支持振动板的两个较短侧的支持部分；
粘剂，所述粘剂在固化后的杨氏模量在大约4.0×104到大约5.0×106N/M2之间，并安排用来将振动板的两个较短侧固定到支持部分；
弹性密封材料，安排用来密封振动板的两个较长侧与支持部件之间的缝隙；其中
当在每一个振动板的金属板和设置在压电板的上表面上的电极之间施加预定的电信号时，振动板以纵向弯曲模式振动。
19.如权利要求18所述的电声换能器，其特征在于沿厚度方向极化压电板。
20.如权利要求18所述的电声换能器，其特征在于弹性密封材料固化后的杨氏模量不大于大约5.0×106N/M2。
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