CN1318965A - 压电型电声转换器 - Google Patents

Abstract

一种在防碎强度、增加工作效率和减小尺寸方面有大的改进的压电型电声转换器,包括层叠形成层叠体的压电陶瓷。在层叠体的前后主表面上设置主表面电极,并且在各个陶瓷层之间设置内部电极。在层叠体侧表面上形成连接主表面电极的侧电极,以及与内部电极导通的侧电极。所有的陶瓷层都沿相同方向极化,通过在主表面电极和内部电极之间施加交变信号,层叠体产生弯曲振动。层叠体的前后表面几乎完全由树脂层覆盖。

Description

压电型电声转换器

本发明涉及一种压电型电声转换器，诸如压电耳机、压电回声仪(soundingdevice)、压电扬声器以及压电蜂鸣器，尤其涉及它们的横隔膜。

传统地，将压电型电声转换器广泛地应用于压电耳机、压电蜂鸣器或其它适当的压电装置。这种压电型电声转换器的普通结构是：将圆形的金属板结合到圆形压电陶瓷板的一侧，以提供单形态型横隔膜，并将该横隔膜的周围支持在环形外壳内，并由盖子封闭这个罩子的开口。但是，在这种单形态型横隔膜中，有一个缺点，即由于将陶瓷板(其外径根据施加的电压扩张)安装到金属板(其尺寸不变化)而产生弯曲振动，故由声压产生的位移量小。

另外，在公报第61-205100号未审查日本专利公告中开发了一种层叠结构(包括多个压电陶瓷层)的双形态型横隔膜。这种横隔膜是通过层叠多个陶瓷生片和多个电极，并使用由同时烘焙生片和电极而得到的烧结致密体而构成的。电极是通过形成在不抑制横隔膜的振动的位置的通孔电气连接的。和单形态型相比，通过沿厚度方向设置第一和第二振动区域，以使它们相互可沿相反方向振动，可得到更大位移量，即更大的声压。

但是，在上述双形态型横隔膜情况下，例如，如果包含三个陶瓷层的横隔膜发生挠曲振动，如上述公布的图17中所示的，一个主表面的电极和一个内部电极应当通过通孔相互连接。另一个主表面电极和另一个内部电极需要通过通孔相互连接，并且在它们之间需要施加交流电压。因此，主表面电极和内部电极之间必需要有复杂的互连，其成本可能是昂贵的。

从而，本发明的申请人消除了主表面电极和内部电极的相互连接，并提供了一种压电型电声转换器，它由简单的连接结构(第11-207198号日本专利申请，还未公开)确定了一种双形态型横隔膜。这种电声转换器特征在于，层叠两个或三个压电陶瓷层以形成层叠体，在这个层叠体的前后主表面上形成主表面电极，在各个陶瓷层之间形成内部电极，并沿厚度方向的同一方向极化所有这些陶瓷层。可通过在主表面电极和内部电极之间施加和改变信号执行层叠体的弯曲振动。

在这种双形态型横隔膜的情况下，有一个特点，即和单形态型横隔膜相比，可得到更大的声压。另一方面，由于没有金属板的加固，故而抗震性低，并且当将它应用于便携式终端或其它这种应用，无法得到足够的防碎能力。

为了克服上述问题，本发明的较佳实施例提供了一种双形态型横隔膜，这种双形态型横隔膜得到大声压，同时具有简单的连接结构，以提供一种压电型电声转换器，它在抗碎强度上有很大进步。

根据本发明的第一较佳实施例，一种压电声转换器包括：层叠而形成层叠体的压电陶瓷层，设置在层叠体的前后表面上的主表面电极，设置在各个陶瓷层之间的内部电极，沿相同方向极化的陶瓷层，并通过在主表面电极和内部电极之间施加交变信号执行弯曲振动。层叠体的前后表面完全由树脂层覆盖。

如果将交流电压设置在本发明的较佳实施例的层叠体中的主表面电极和内部电极之间，在前侧和后侧的陶瓷层中的电场的方向将转到厚度方向的相反的方向。另一方面，所有陶瓷层的极化方向都是沿厚度方向的同一方向。用于层的压电陶瓷特征在于，如果极化方向和电场方向相同，则沿平面方向收缩，如果极化方向和电场方向是相反方向，则它具有沿平面方向扩展的特点。

因此，当如上所述施加交流电压，并且前侧陶瓷层扩展(收缩)时，后侧陶瓷层将收缩(扩展)，从而层叠体将整体地产生弯曲振动。由于和单形态型横隔膜相比，位移量更大，故而大大增加了声压。

包含陶瓷的传统层叠体当其声压大时，对于施加给它的外部冲击是脆弱的，而其声压大。在本发明的较佳实施例中，通过由树脂层覆盖层叠体的前后表面而使层叠体加固，由此大大增加了防碎强度。由于这种树脂层不抑制层叠体的弯曲振动，声压不受到影响，并且谐振频率不增加。

根据本发明的第二较佳实施例，树脂层可以是在涂敷了胶状树脂薄膜之后提供的硬化的涂层。或者，树脂层可以是根据本发明的第三较佳实施例提供给层叠体的树脂薄膜。

形成树脂层的树脂材料在其杨氏模量低时(诸如硅树脂、尿烷等)，没有使层叠体加固的效果。还有，对于外部冲击的抵抗性不如预期的充分。通过杨氏模量高的树脂材料，诸如环氧树脂组和丙烯酸型材料，大大改进了抗震性。例如，加入诸如聚酰亚胺、树脂、聚酰胺-聚酰亚胺树脂等。

根据本发明的第四较佳实施例，希望提供一种基本上矩形的层叠体。在基本上矩形的层叠体中，可以在母板阶段执行诸如形成电极、层叠陶瓷层、施加压力、烘焙和形成树脂层等处理，从而便材料很费最小，而大大改进了大批量的生产率。另外，当设置基本上矩形的横隔膜时，和圆形横隔膜相比，声音转换效率大大改进了，故而有能够产生低频声音的优点。

如在本发明的第五较佳实施例中，在层叠体侧面上形成第一侧电极而使前后表面的主表面电极相互连接，并使内部电极与形成在不同于第一侧电极的位置一侧上形成的第二侧电极导电就足够了。在这种情况下，通过由侧电极引出主表面电极和内部电极，使与外部的电气连接简单了。

较好地，根据本发明的第六较佳实施例，形成第一和第二侧电极，从而它们可转到树脂层的前后表面。例如，当将本发明的电声转换器与外部连接时，使用导电胶水或其它材料，使它们的连接简化，并且形成电极的过程简单了。

根据本发明的第七较佳实施例，第二侧电极可以转到层叠体的前后表面。通过树脂层，形成使前后表面的主表面电极一部分暴露的槽口，以及使转到层叠体的前后表面的第二侧电极的一部分暴露的槽口。

在这种情况下，不必在树脂层的表面上形成电极(如本发明的第六较佳实施例)，只需在层叠体上形成电极，从而不但与外部的电气连接简单了，而且电极形成的操作简单了。

从较佳实施例详细的描述，本发明的其它特点、元素、特征和优点是显然的。

图1是根据本发明的第一较佳实施例的压电型电声转换器的外部透视图。

图2是图1所示的压电型电声转换器的分解透视图。

图3是图1的A-A截面图。

图4是沿图1中B-B得到的截面图。

图5是用于图1的压电型电声转换器的横隔膜的透视图。

图6是沿图5中的线C-C得到的截面图。

图7是设置有树脂层的横隔膜和未设置树脂层的横隔膜的声压比较示图。

图8是本发明的第二较佳实施例的横隔膜的透视图。

图9是沿图8的线D-D得到的截面图。

图10是本发明的第三较佳实施例的横隔膜的透视图。

图1-4示出根据本发明的第一较佳实施例的压电声转换器。

这种压电电声转换器较好地包括基本上为矩形的横隔膜1(层叠体形式)，包含这种横隔膜1的罩子10，以及板20。这种压电型电声转换器较好地构成为表面安装型部件，但也可以构成为另外类型的部件，诸如针型部件。

本较佳实施例的横隔膜最好通过层叠两个压电陶瓷层1a和1b(最好由PZT或其它适当材料制成)形成，如图5和6所示。将主表面电极3和4设置在横隔膜1的前后主表面上，并将内部电极5设置在陶瓷层1a和1b之间。如从那些图中的粗线所示，沿厚度方向的相同方向极化两个陶瓷层1a和1b。在本较佳实施例中，前侧的主表面电极3和后侧的主表面电极4从一短侧延伸到横隔膜的另外一短侧前面一点点。内部电极5从那另外一短侧延伸到那一短侧前面一点点，与主表面电极3和4对称。横隔膜1的前后表面由树脂层6和7覆盖。在涂敷了一层薄膜状胶状树脂之后，树脂层6和7可以是强化的涂层，或者它们可以是涂有树脂薄膜的层。作为树脂层6、7，最好使用杨氏模量为1100MPa的材料，诸如环氧树脂和丙烯酸型树脂。

将传导至主表面电极3和4的第一侧电极8设置在横隔膜1的一个短边侧的侧面。并且安排这个侧电极8的上下部分，从而它们可以转到树脂层6和7的表面。另外，将传导至内部电极5的第二侧电极9设置在横隔膜1的另一个短边侧上，并如此设置这个侧电极9]的剩下部分，从而它们可以转到树脂层6和7的表面。

罩子10最好具有盒状配置，它具有一个上壁部分，和四个侧壁部分，并且较好地由耐热树脂制成。在上壁部分上形成噪声发射孔11，并将板20结合到下表面开口。将阶状支持部分12a和12b设置在与罩子10相对的两个侧壁的内侧表面上，并且横隔膜1的短边侧旁的两个边缘由诸如黏结剂等支持剂13a和13b支持在这些支持部分12a和12b上。另外，横隔膜1的长边侧的两个边缘与罩子10之间的间隙由诸如硅橡胶等弹性密封膏14a和14b密封。另外，可将相同材料的弹性密封膏14a和14b用作支持膏13a和13b。

板20类似于罩子10，包括耐热树脂、环氧玻璃、陶瓷材料或其它适当的材料，并且将用于外部连接的电极21a和21b树脂在前后表面两端。通过设置在板20的两端的侧边缘上的刻槽22a和22b的内部表面使前后表面上的电极21 a和21b相互导电。通过绝缘黏结剂24，将板20安装到罩子10的下表面开口，其中，导电胶水23a和23b以连续的浸入的形式涂敷在固定到罩子10的横隔膜1的侧电极8和9上。通过导电胶水23a将横隔膜1的侧电极8与用于外部连接的电极21a连接，通过导电胶水23b将侧电极9与用于外部连接的电极21b连接。另外，可将绝缘黏结剂24涂敷在板20上，并可将它涂敷在罩子10的开口上。然后，通过加固导电胶水23a和23b以及绝缘黏结剂24完成压电型电声转换器。

如果在用于外部连接的电极21a和21b之间施加预定的交流电压，则将以长度弯曲模式执行横隔膜1的挠曲振动。即，横隔膜1的短边侧的两端都确定一个支点，并执行挠曲振动，将纵向的中心部分用作峰值点。例如，如果将负电压施加到连接到用于外部连接的电极21a的侧电极8，并将正电压施加到连接到用于外部连接的电极21b的侧电极9，将产生图6的细线箭头所示方向的电场。如果极化方向和电场方向是同一方向，则陶瓷层1a和1b具有沿平面方向收缩的特性，如果极化方向和电场方向是相反方向，则它们具有沿平面方向扩展的特性。由此，前侧陶瓷层1a将收缩，而后侧陶瓷层1b将扩展。因此，横隔膜1弯曲，从而中心部分凸起至较低的部分。如果施加到用于外部连接的电极21a和21b的电压是交流电压，则横隔膜1能够周期性产生弯曲振动，并因此而产生大的声压。

由于本发明的本较佳实施例的横隔膜1是其中层叠了陶瓷层1a和1b的双形态型横隔膜，故而和使用金属板的单形态型横隔膜相比大大增加了位移，由此，得到更大的声压。另外，由于位移没有受到金属板的约束，故而产生低频的声音。换句话说，减小尺寸同时，产生具有相同频率的声音。另外，通过形成树脂层6和7作为加固部件，可增加防碎强度，并且不负面影响前后表面声压，因此，大大改进了谐振频率。

图7说明了横隔膜1的尺寸接近于10mm×10mm×0.08mm，在将厚度大约20mm的环氧组黏结剂涂敷到横隔膜1的上下表面作为树脂层6和7时的声压和不设置树脂层的情况相比的结果。如图7所示，未发现由设置树脂层6和7引起的声压的减小和频率的变化。

表1比较了本发明的较佳实施例的情况(将树脂层6和7提供给横隔膜1，如图7所示)和不设置树脂层的防碎强度。在表中，“○”表示不产生裂缝，“×”表示产生裂缝。通过将横隔膜1放置在如图1所示的罩子中，系上100g的夹具，并沿水平方向使其跌落而进行跌落实验。

表1

下落高度	比较物	本发明
			30cm	○	○

75cm	×	○
			150cm	×	○

在上述实施例中，通过使用基本上矩形的横隔膜1得到下面的效果。

首先，在本发明的较佳实施例中大大改进了声转换效果。由于仅中心部分确定了峰值点，在圆形罩子横隔膜中，位移量小，声转换效果相对低。另外，由于横隔膜受到约束而使频率变高。如果要得到具有低频的压电横隔膜，其半径尺寸将变大。另一方面，在基本上矩形的横隔膜1中，沿长度方向中线有峰值点，并且位移量大。可得到高的声转换效率。另外，虽然固定了沿基本上矩形的横隔膜1的长度方向的两端，由于通过弹性密封膏14a和14b使它们之间的部分可自由位移，得到相对于环形横隔膜的低频。反之，如果得到相同的频率，可减小尺寸。

第二，改进了生产力。虽然在基本上环形的横隔膜的情况下，由于由母板冲压横隔膜，故而产生许多冲压渣。在基本上矩形的横隔膜中，由于可通过切割或其它适当处理切出层叠的压电转换器，故而减少了冲压渣。另外，由于可在非常大的母板上形成涂层和树脂层薄膜，使大量生产的特性大大改善，并且有一个优点，即所需的制造工序的数量减少。

图8和9示出横隔膜的第二较佳实施例。较好地，通过在如图5和6所示的横隔膜1中，层叠两个基本上矩形的陶瓷层31和32，并在横隔膜30的上下表面上形成主表面电极33和34，而形成横隔膜30。主表面电极33和34通过设置在横隔膜30的一个侧表面上的第一侧电极38相互连接，并且内部电极35连接到设置在相对的侧表面上的第二侧电极39。

在本较佳实施例中，仅将侧电极38和39设置在陶瓷层31和32的侧面，并且侧电极39一部分转到陶瓷层31和32的上下表面。凹口36a和37a(暴露有主表面电极33和34的一部分)形成在树脂层36和37的一端侧。凹口36b和37b(转到陶瓷层31和32的上下表面的侧电极39的部分暴露处)形成在树脂层36和37另外一端侧。

电极33和34与侧电极39通过凹口36a和37a暴露于横隔膜1的前后表面。因此，当通过导电胶水或其它适当材料或方法将横隔膜30与外部连接时，可容易而明确地执行操作。

另外，通过如图5和6所示的横隔膜1，由于电极不需要形成在树脂层6和7的表面上，故而有大大简化了电极形成操作的优点。

图10示出第三较佳实施例的横隔膜。本较佳实施例的横隔膜40是通过层叠三个压电陶瓷层41到43而形成的。将主表面电极44和45设置在陶瓷层41的表面上，以及陶瓷层43的后侧。将内部电极46和47设置在陶瓷层41到43中的每一个陶瓷层上。如细线箭头所示的，三个陶瓷层41到43沿厚度方向的同一方向极化。

覆盖主表面电极44和45的树脂层48和49全部地形成在横隔膜40的前后表面上。在图6所示的情况下，主表面电极44和45从一个短边侧延伸到横隔膜40的另一个短边侧前面一点点，其另外一端连接到形成在横隔膜40的一个短边侧上的侧电极50。因此，使前后表面的主表面电极44和45相互连接。另外，内部电极46和47从另外一个短边侧延伸到一个短边侧前面一点点，与主表面电极44和45对称，并且其一端连接到形成在横隔膜40的另一个短边侧上的侧电极51。由此，内部电极46和47也相互连接。另外，如此形成侧电极50和51，从而它们可转到树脂层48和49的前后表面。

例如，如果将负电压施加到侧电极50，并将正电压施加到侧电极51，则将产生如图10中细线示出的方向的电场。由于此时作为中间层的陶瓷层42的两侧上的内部电极46和47具有相同电势，故而不产生电场。由于极化方向和电场方向相同，前侧的陶瓷层41沿平面方向收缩，由于极化方向和电场方向是相反方向，故而后侧的陶瓷层43沿平面方向扩展，由此，中间层42不扩展或收缩。由此，横隔膜40弯曲，从而它可在其较低的部分凸出。如果将交流电压施加在侧电极50和51之间，横隔膜50可引起周期性的挠曲振动，并且可因此而产生大声压的声音。

在图10中，虽然如此设置侧电极50和51，从而它们转到树脂层48和49的前后表面，如图8所示的情况，可通过使树脂层48和49一部分产生槽口，而使主表面电极44和45以及侧电极51暴露。

上述较佳实施例的横隔膜1、30和40的制造方法最好如下进行：通过例如电极薄膜，层叠两个或三个陶瓷生片，同时烧结得到的层叠体。然后，对烧结的层叠体进行极化。然后，在极化的层叠体的上下表面上形成树脂层，然后在每一个元件的侧面形成侧电极。

另外，代替这种方法，可层叠并黏附预先烧结和极化的两个或三个陶瓷层，将树脂层形成在层叠体的上下表面上，并将层叠体切割成预定元件大小，然后在每一个元件侧面上形成侧电极。

和后面一种方法(其中，层叠预先烧结的陶瓷层)相比，前面一种方法(其中，在层叠后进行烧结)可使横隔膜厚度显著地更变薄，并且可以使声压放大。由此，可得到一种具有极好的声转换效率的横隔膜。另外，当将母层叠体切割成多个元件时，树脂层作为用于防止元件破裂的加固层产生作用。

本发明可有各种变化，并且不限于上述较佳实施例。

本发明的横隔膜(层叠体)形状不限于上述较佳实施例中描述的矩形，可以是其它诸如基本上圆形等形式或其它形式。还有，在基本上圆形的情况下，和单形态型横隔膜相比，声压大大增加。

作为用于容纳横隔膜(层叠体)的外壳结构，不限于图1到图4的结构。虽然如图1到4所示，在板20上形成用于外部连接的电极21a和21b，用于外部连接的电极可形成在罩子10侧，或可固定终端。由此，在这种情况下，板和罩子颠倒。

设置在横隔膜1上的第一和第二侧电极8和9不限于设置在相对侧上，如图5和6所示。它们还可以形成在横隔膜的同一侧上的不同位置，以相邻。另外，本发明的压电型电声转换器除了用作诸如压电蜂鸣器、压电回声装置和压电扬声器以外还可用作优点电话等声音接收体。

如上面清楚地描述的，根据本发明的第一较佳实施例，在包括压电陶瓷层的层叠体的前后表面上形成主表面电极，在各个陶瓷层之间形成内部电极，并沿厚度方向的同一方向极化所有陶瓷层，如果在主表面电极和内部电极之间施加交变信号，则前侧和后侧的陶瓷层将沿相反方向扩展，并且层叠体将整个地产生挠曲振动。由于和单形态型横隔膜相比，其位移量大得多，故而大大增加了声压。

另外，由于沿厚度方向的同一方向极化所有陶瓷层，本发明不需要现有技术中需要的主表面电极和内部电极之间的复杂的互相连接。在主表面电极和内部电极之间施加交变信号是足够的，这种结构非常简单，并且大大减小了制造成本。

另外，由于由树脂层覆盖了层叠体的前后表面，故而可加固层叠体，并且大大增加了防碎强度。由于树脂层不抑制层叠体的弯曲振动，故而声压不受到影响，并且谐振频率不增加。

虽然已经揭示了本发明的较佳实施例，但是实施这里是揭示的原理的各种模式在下面的权利要求范围内。由此知道本发明的范围仅仅由权利要求限定。

Claims (8)

1．一种压电型电声转换器，其特征在于包含：

多个压电陶瓷层，被层叠以确定一层叠体；

主表面电极，设置在所述层叠体的前后主表面上；

内部电极，设置在各个所述陶瓷层之间，并且所有陶瓷层沿其厚度方向的同一方向极化；

所述压电型电声转换器对应于在主表面电极和内部电极之间施加交变信号而产生弯曲振动；和

树脂层，设置得覆盖基本上层叠体的全部的前后表面。

2．如权利要求1所述的压电型电声转换器，其特征在于树脂层是硬化的涂层。

3．如权利要求2所述的压电型电声转换器，其特征在于还包含设置在硬化的涂层下面的胶状树脂薄膜。

4．如权利要求1所述的压电型电声转换器，其特征在于树脂层是结合到层叠体的树脂薄膜。

5．如权利要求1所述的压电型电声转换器，其特征在于层叠体基本上是矩形的。

6．如权利要求1所述的压电型电声转换器，其特征在于前后表面上的主表面电极通过设置在层叠体的一侧上的第一侧电极相互导电，并且内部电极与设置在不同于第一侧电极的位置那侧上的第二侧电极相互导电。

7．如权利要求6所述的压电型电声转换器，其特征在于将第一和第二侧电极设置得转到树脂层的前后表面。

8．如权利要求6所述的压电型电声转换器，其特征在于将第二侧电极设置得转到层叠体的前后表面，并且为树脂层在前后表面上的主表面电极的一部分暴露处设置第一槽口，在第二侧电极转到层叠体的前后表面的部分暴露处设置第二槽口。

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