CN1836464A - 机电换能器及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机电换能器及用于制造这种换能器的方法。这种换能器包含隔膜(3)；两个电极(1、2)，两个电极间的电场可被控制或测量；和支撑结构(4、5)，在支撑结构(4、5)上隔膜(3)被布置成能振动、与电场相互作用。根据本发明，支撑结构(4、5)包括几个支撑点(4、5)，以几个平行振动器被形成在隔膜(3)中的方式使几个支撑点(4、5)对齐。

Description

机电换能器及制造方法

技术领域

本发明涉及一种机电换能器，其将声能转换为电信号，或反过来。具体地，本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的换能器。

本发明还涉及一种根据权利要求12前序部分的用于制造机电换能器的方法。

背景技术

典型的机电换能器是扬声器或扩音器。例如在便携式通信设备中，譬如移动电话有扩音器和扬声器。典型的移动电话扩音器是驻极体扩音器。扬声器典型地包含声音线圈或压电部件。

移动电话产品发展的一个目标是将包含在设备中的部件比目前更紧凑地整合在设备的机械结构中，譬如电话壳体。这个发展有助于制造更小且更轻的设备，以及更简化和更节省成本的制造方法。

在代表最接近现有技术的解决方案中，带电隔膜被支撑在其边沿且定位于离电极合适距离，电极可在隔膜的一或两侧。欧洲专利公开EP1244053公开了一种移动电话扬声器和扩音器，它利用自充电绝缘聚合物隔膜。在公开书中公开的解决方案中，机电介电(EMD)隔膜被支撑在其边沿且与该壳体的表面整合在一起。当EMD隔膜作为扬声器时，EMD隔膜通过向后和向前振动将经金属电极从电路连接的电信号转换为声能。与此对照，当EMD隔膜作为扩音器时，EMD隔膜将声能转换为电信号。

发明内容

本发明是用于制造一种高度开发的且经济的换能器及制造方法，借助于此，换能器可被整合为一些其他结构的一部分，譬如，设备的壳体结构。

本发明是基于换能器包含几个平行换能器部件的思想。从而，根据本发明，振动隔膜以借助于支撑结构在几点处支撑隔膜的这种方式位于两个电极感应的球体之间，以使隔膜在隔膜能够振动的区域内具有几个支撑点。从而，换能器由几个平行振动器构成，它们与电极相互作用。再者，支撑结构以振动空间保持在隔膜的两边的方式被设置，这使隔膜在隔膜的两个表面的方向中振动。

在一些实施例中，借助于设置在隔膜和电极结构之间的脊，隔膜被压靠至少一个电极。因此，保持在脊之间的隔膜部分可以振动。脊可被形成在例如，一个电极中、两个电极中、电极外的支撑结构中、实际振动隔膜中或单独的适配器结构中，这位于隔膜和支撑表面之间。

在一些实施例中，借助于开口或沟道，围绕隔膜的空腔被连接至外部空气或大的空气空间，以使空腔中的空气压缩不会产生振动阻力。在一些实施例中，这些开口或沟道还可对换能器的振动隔膜和周围环境之间的声音传播有良好的效果。在一些实施例中，开口或沟道被形成在电极结构中。

在本发明的实施例中，隔膜借助于支撑结构被设靠在其上的电极，典型地被制造为相对刚硬，以使振动主要发生在振动隔膜中，同时所述电极保持基本上稳定。从而，所述电极的材料被选择为相对于隔膜的足够刚硬。电极自身的材料可以是导电的，或它可被铺面为导电的。电极材料还是优选为使开口可被形成在其中，或沟道可被形成在隔膜及其周围环境之间。

在一些实施例中，支撑结构和电极表面界定振动空间，即空腔，以允许隔膜振动。然后，支撑结构形成抬高的图案，譬如平行于隔膜表面的柱状物、梁或栅格矩阵，以致于产生平行振动空间的组。该抬高的图案也可是不规则的。振动空间同样地可是互相连接的或是分离的。

更具体地，根据本发明的换能器的特征在于权利要求1中特征部分所陈述的。

接下来，根据本发明的制造方法的特征在于权利要求12和16中特征部分所陈述的。

借助于本发明得到相当多的益处。本发明的使用将实现需要很少空间且具有简单制造方法的换能器部件。

本发明还具有许多优选实施例，它们提供明显的其它优点。例如，在一些实施例中，使用这样的隔膜是可行的，即该隔膜具有大量静电电荷，例如在500-2000μC/m²的量级，因为隔膜的振动距离可被容易控制的。制造方法也可以被容易地应用在批量生产中，同时制造成本保持为低的。

在下面，借助于例子且参考附图来说明本发明。这些例子决不是用于限制由权利要求书限定的保护范围。

附图说明

图1a示出根据本发明的一个换能器的截面。

图1b示出根据本发明第二实施例的换能器部件的截面。

图2示出两个电极和支撑结构的截面，它们是图1a和1b中示出的可选择的电极和支撑结构。

图3a示出本发明的一个实施例的截面，在其中隔膜的支撑结构被制造为隔膜的部分。

图3b示出本发明的第二实施例的截面，在其中隔膜的支撑结构被制造为隔膜的部分。

图4a、4b和4c示出一些向隔膜表面看去的可替换的支撑结构图案。

具体实施方式

图1a示出换能器的截面，其中有几个平行换能器部件(上图)。图1a还示出换能器的截面，其中更详细显示两个平行换能器部件。图1a中的换能器部件包括设置为振动的隔膜3，隔膜借助永久电荷和/或偏压被充电。隔膜由几个支撑点被支撑在脊4和5之间，以使几个平行振动器形成在隔膜3中。在图1a的实施例中，脊4和5是延长的，以使它们以与图1a表面成直角的方向延伸穿过整个换能器。以脊4和脊5是平行的且在隔膜3的相对侧互相邻接定位的方式，相对件的脊4和脊5被互相对齐。在图1a的实施例中，脊4和脊5是互相分离平行振动器的，但在一些实施例中脊4和脊5与至少一些其它振动器相接触。例如，在一个实施例中是这样的情况，其中脊4和脊5形成点。如果脊4和脊5被认为在与图1a中表面成直角的方向上短的话，则图1a还可被考虑显示了这样一个实施例。

在图1a的实施例中，脊4和5形成在本体材料6中，本体材料6例如可是合适的塑料。通过使用例如金属层的导电层铺面基底材料的一侧，电极1和2形成在基底材料的表面上。在铺面之前，位于脊4和5之间的开口7被做在基底材料6中。根据制造工艺，也可连同产生基底材料6的件制造开口7及脊4和5。

以保持在支撑点之间的隔膜3部分可自由振动的方式，从几个支撑点将根据图1a的隔膜3压在脊4和5之间。为了允许振动，基底材料件6包含在毗邻脊4之间和对应地在毗邻脊5之间的凹槽。这些凹槽形成隔膜3中的振动空间8，即空腔。空腔8穿过开口7被连接至围绕基底材料件6的空气空间，以使当隔膜3振动时，空腔8的气压可通过开口7均衡。这减少了隔膜3的振动阻力。示出在图1a中的开口7也可由其他相应开口或沟道代替，这些能够实现相应功能。在一些实施例中，开口7或对应沟道可使用柔性隔膜被封闭。然后，柔性隔膜将阻止灰尘和水分进入空腔8，且以及接触在隔膜3和电极1及2之间。然而，空腔8中依据气压的柔性隔膜的振动有效地均衡了空腔中的气压，以及将声音从隔膜3传递给换能器的周围，反之亦然。

在图1a的实施例中，电极1和2还延伸至开口7的内表面。这可使用合适铺面方法来实现。然而，电极到开口7的延伸不是必需的，而是这个特征可被用于增加可被定向于隔膜3的电场强度。

图1b示出另一实施例的两个截面，其中以与图1a的实施例中同样方法制造基底材料件6和电极1及2，但是在脊4和5位于不同方向的情况下，例如互相成直角，相对件的脊4和脊5互相对齐。在图1b的实施例中，从而脊4和5仅仅将平行振动器互相部分分离。在图1b的上图中，沿脊5画出截面，以使在截面中，隔膜3的另一侧看起来被在脊4之间的空腔8限制。然而，空腔8至少在隔膜的一个表面的侧面互相连接，这可在沿脊4所作的截面(下图1b)中看到。

在图1a和1b示出的实施例中，带电隔膜3被装配在两个电极1、2之间。形成在电极1、2或在基底材料件6中的脊4、5形成隔膜3的支撑结构，借助于此，隔膜被压在电极1、2之间。脊4、5和电极的表面形成用于带电隔膜的振动空间8。形成支撑结构的脊可形成例如柱状物、梁或网的形状。然而，这样的结构没有要求脊或其它支撑点具有任何规则形状，也可根据不规则图案定位支撑点。图4a、4b和4c中示出一些可能图案。沟道或开口7也形成在电极中。

在图1a中，形成在电极中的脊4、5被互相相对设置，以使隔膜3可在平行隔膜3的表面的平面上相同处在两个方向上振动。在图1b中，形成在电极中的脊4、5和隔膜3的振动空间8被设置在平行于隔膜3的表面的平面上的不同点，以使隔膜3也可在两个方向上振动，但是在平行于隔膜3的表面的平面上的不同点处。

图2示出可选择的支撑和电极结构，它们能被非常好的用于代替例如图1a和1b中示出的电极结构。在图2中所示的上面结构中，在电极2的制造之后，脊5形成在电极2的表面上。例如使用已知的印刷工艺或蚀刻工艺可制造支撑结构。在图2的下图中，仅仅在开口7和空腔8的区域内制造电极表面2。从而在脊5的表面上没有导电层。当使用根据这种实施例的支撑和电极解决方案时，换能器自身的隔膜3还可是导体的。如果电极1和2与隔膜3相接触，隔膜的导电率应当是小的，以便对换能器的电操作没有干扰。

图3a示出用于产生振动空间8和隔膜3的支撑结构的另一个解决方案。在图3a的解决方案中，支撑结构被作为隔膜的部分。从而，基底材料件6的表面和电极1及2可是平滑的，这将有利于电极的制造。图3a中的上图示出根据这个实施例的隔膜3，隔膜3包括对应于前面实施例中的脊4、5的凸起4、5。与在前面实施例中一样，凸起或脊4、5可是延长脊、柱状物、梁或任何形状的凸起，无论如何，这些能够以这样一种方式将隔膜3支撑在电极1、2之间，以允许隔膜的振动且使该结构足够机械可靠。

图3b示出用于产生振动空间8和隔膜3的支撑结构的一个侧面的方案。在图3b的解决方案中，支撑结构被作为隔膜3的部分但仅仅在隔膜的一个表面上。在隔膜3的另一个表面上制造薄金属膜13，例如，薄金属膜13可合适地为铝或金。这个金属膜可起到电极之一的作用。图3b中的上图示出了这样一种隔膜结构和隔膜结构的放大截面。在实施例中，隔膜3包括对应于前面实施例中的脊4、5的凸起4、5。与在前面实施例中一样，凸起或脊4、5可是延长脊、柱状物、梁或任何形状的凸起，无论如何，这些能够以这样一种方式将隔膜3支撑靠在电极2的表面上，以允许隔膜的振动且使该结构足够机械可靠。在图3b中的下图中，隔膜结构3被显示接附至一个电极2的表面。从而，在这种情况下，第一电极1被制造在隔膜3的相对面上。

根据图3b的实施例的隔膜结构允许在几乎任意表面上制造一种非常简单且经济的换能器，该换能器包含第二电极2。借助于该实施例，换能器还可被做得非常薄。这种换能器非常适合例如使用于小电子设备中，以使换能器可例如被直接接附在设备壳体上。

图4a、4b和4c示出一些合适类型支撑结构的例子。在图中，以黑色显示脊或其它支撑结构。在图4a的结构中，支撑结构由梁形件形成，其被设置为在隔膜两侧的栅格。在图4b和4c的例子中，支撑结构由不同形状的柱状物形成。由脊或其它支撑结构形成的相邻支撑点之间的典型距离为从200μm到5mm。

使用为足够导电的或能够使用导电材料铺面的材料可构造电极。电极结构应当能够在隔膜和周围环境之间传递声音。例如，这通过在结构中形成开口7来实现。如果电极属于柔性材料，换能器可以三维形式被制造。当振动隔膜由小的平行振动器形成时，可以弯曲换能器结构。例如，电极可以是聚合物隔膜，具有例如由导电材料铺面的0.1-5mm厚度。

当电极有利地形成为壳体的部分时，换能器的电极可形成在便携式设备壳体中。如上面所述，由平行部件形成的换能器结构可被弯曲，还允许根据优选实施例的换能器被设置在便携式设备壳体的弯曲的壳体部分。这在便携式设备的设计和成形方面获得明显的益处。这是因为将十分大的平面换能器放置在小便携式设备中可对设备的设计和成形施加明显的限制。根据本发明优选实施例的换能器结构另一方面可被整合为弯曲件的部分，譬如流动站的壳体结构。类似地，换能器也可位于照相机或计算机、或甚至眼镜或钢笔的壳体中、或在一些其它结构中。因此，换能器完全可具有几乎任意形状，以将其装配进可利用空间中。

基于可利用的信号电压、隔膜的机械特性和电荷数量确定电极的譬如厚度的尺寸和开口的形状及大小。通过使用的制造过程及其性能还可确定尺寸的选择。开口位于支撑结构之间，优选在由支撑结构和电极表面界定的空间中间。开口的数量、大小、形状和位置优选为使得允许隔膜不受限制的振动，从而获得足够强大的声压。定子电极的结构是这样的，使得尽可能小的声能被吸收进结构中。形成在电极中开口的直径可是例如在10μm和2000μm之间，实际上一般在大约200μm和大约1000μm之间。

例如，在制造在结构中的导体上，控制电压被应用至电极。因为结构具有高阻抗，所以在一些实施例中还可允许高接触电阻，这允许各种连接方法被用于换能器结构的制造中。

多个实施例在上面被披露，其中从隔膜分离的一个电极位于隔膜3的两侧。然而，以第二电极通过使用导电材料铺面隔膜被形成在振动隔膜3的表面上的方式还可构造换能器。然而，制造与隔膜3分离的电极获得较宽的振动幅度，以使在许多实施例中优选制造与隔膜3分离的两个电极1和2。

支撑结构(例如，脊4和5)不需要是导电材料，其表面也没有要求导电的辅面。支撑结构的最大高度典型地小于1000μm，以及在具体实施例中它通常在20μm和200μm之间。基于必需的声压和这需要的隔膜3的自由运动，根据实施例确定该尺寸。

永久电荷形成在隔膜3中，或者偏压被连接至隔膜，以产生电荷。为了产生偏压，在隔膜内部或其表面上有镀金属或一些其它导电结构。在许多实施例中，隔膜3可是由聚合物制造的永久带电绝缘隔膜。隔膜的厚度典型为2-200μm。

隔膜可被接附至电极结构，例如借助于粘结剂或超声波焊接。隔膜可被适当预拉紧。隔膜也可被充电，例如借助于电晕放电。

例如，以首先制造第一电极的方式可制造换能器部件。例如，通过注塑模制由绝缘塑料可以制造电极。此后，塑料件的一个表面被铺面为导电的。使用一些其他方法和由一些其他材料，例如对譬如金属的自身导电的材料的磨制，也可制造电极。在相同的方面中，也可以制造第二电极，第二电极形成第一电极的相对件。

接下来，制造振动隔膜。例如，通过将隔膜从合适的隔膜材料切割下来制造该隔膜。这样，实际隔膜的制造是众所周知的，以及合适的隔膜材料可以从隔膜供应商那里得到。因此，可以如现成件一样定购电极，以使电极和隔膜的制造顺序不是那么重要的。

此后，隔膜被设置在电极之间且使用合适的力将电极压在一起。如果希望确保隔膜保持在适当位置，使用粘接剂，可将隔膜胶合至电极中的任一个或两个。例如，在包含在电极或隔膜中的脊或其他支撑点的表面上可使用胶水。可选择地，使用一些其它方法，例如热压法或超声焊接法可将隔膜连接至电极结构。

在一些实施例中，在隔膜被接附至电极且电极被压在一起之前，预拉紧隔膜特定数量，以使形成在换能器中的平行振动器接收相应的预拉紧。预拉紧的幅度可被用于影响形成的换能器部件的振动性能。一旦隔膜已经被接附至电极，使用合适充电方法，例如借助于电晕放电，隔膜可被充电。电荷可是正极性或负极性的。预充电隔膜也可使用在制造中，在这种情况中将不要求充电阶段。然而，在接附后给隔膜充电获得了一定的益处。至少在一些实施例中，从而在以后制造阶段提高隔膜中电荷的保持是可行的。这使获得隔膜中较大电荷密度是可行的。

在下面阶段中，永久带电隔膜-电极制造物被接附在第二电极结构上，其可以例如在设备的壳体中。然后，形成上面披露的换能器结构。如果第二电极被制在设备的壳体中，例如在流动站的壳体中，当进行电极的金属化时，其它必需导体和导电图案也可以被制造在壳体表面上。一个例子是以相同加工阶段的天线的制造。

在一些实施例中，以件包含用于形成第一电极的第一区域和用于形成第二电极的第二区域的方式，两个电极均被制造为单件。进一步，该件包含在第一和第二区域之间的柔性部分、铰链或类似物，以使第一和第二区域可被互相相对转动，以形成第一和第二电极。隔膜可位于这些电极之间，以及如果必要，隔膜可胶合或者被另外接附至电极中的任一个上。也可以想象到，电极之一被制造在设备的壳体中，或借助于隔膜电极制造适配器连接、铰链或类似物被接附至其上，以使隔膜-电极制造物可容易地固定在设备壳体中的合适位置，以及如果必要，也可容易地拆卸和使用新的制造物代替。

在本发明的范围内，也可以想象到不同于上面公开的那些实施例的本发明的实施例。上面涉及的尺寸也可被作为例子且说明适于具体实施例的结构，然而，它们不用于限制在权利要求书中陈述的本发明保护范围。更具体地，基于可利用的信号电压、隔膜的机械特性和电荷数量来限定结构的尺寸。尺寸的选择还受到使用的制造过程及其性能的影响。同样地，应在换能器及制造方法的细节上作出必要的改变，以适应应用的要求。

Claims (18)

1.一种将声能转换为电信号或反过来的机电换能器，该换能器包括隔膜(3)；两个电极(1、2)，电极间的电场可被控制或测量；和支撑结构(4、5)；隔膜(3)被布置在支撑结构上以振动、与电场相互作用，以及所述支撑结构(4、5)包括可在隔膜(3)中形成几个平行振动器的方式设置的一些支撑点(4、5)，其特征在于，支撑结构(4、5)被形成作为隔膜(3)的永久部分。

2.根据权利要求1的换能器，其特征在于支撑结构(4、5)和电极(1、2)在隔膜(3)的两侧上界定了用于平行振动器的空腔(8)，以使隔膜(3)可从其平衡位置在两个方向上振动。

3.根据权利要求2的换能器，其特征在于空腔(8)的至少一些基本上互相相对地位于隔膜(3)的两侧上，以使换能器包含几个振动器，这些振动器能够从隔膜(3)的平衡位置在两个方向上振动，当振动器在第一方向和在第二方向上振动时，隔膜(3)的振动表面面积基本上是同样大小且在隔膜(3)上基本上是同样的点处。

4.根据权利要求2或3的换能器，其特征在于至少一个开口或沟道(7)与每个空腔(8)相连接，空腔(8)的内部空间通过该至少一个开口或沟道(7)与换能器外部空气空间或至少与一些其他空腔(8)压力均衡连接。

5.根据权利要求1-4中的换能器，其特征在于至少一个电极(1)形成固定结构，运动的隔膜(3)被装配至该固定结构，以使隔膜和电极(1)仅仅通过支撑结构(4、5)互相相接触。

6.根据权利要求1-5中的换能器，其特征在于隔膜是永久带电的机电绝缘隔膜，在隔膜振动时，该隔膜的厚度基本上保持相同。

7.根据权利要求1-6中的换能器，其特征在于支撑结构(4、5)、隔膜(3)和第一电极(1)例如通过胶合或焊接被永久接附在一起以形成单件，以及该件被设置就位或压靠第二电极(2)。

8.根据权利要求1-8中的换能器，其特征在于电极(1)中之一被做在隔膜(3)的表面上。

9.根据权利要求1-8中的换能器，其特征在于隔膜(3)包含仅仅在隔膜(3)的一侧上的支撑结构(4、5)。

10.根据权利要求1-9中的换能器，其特征在于换能器被接附而作为设备壳体的部分，以及在隔膜(3)的表面上加工出第一电极(1)，在设备壳体的表面上加工出第二电极(2)。

11.根据权利要求1-10中的换能器，其特征在于隔膜(3)是永久带电的机电绝缘隔膜。

12.一种用于制造机电换能器的方法，该换能器包含隔膜(3)；两个电极(1、2)，两个电极(1、2)间的电场的可被控制或测量；和支撑结构(4、5)，在支撑结构上隔膜(3)被布置成能振动、与电场相互作用，在该方法中：

-以支撑结构(4、5)包含互相离开一段距离的几个支撑点(4、5)的方式形成支撑结构(4、5)，和

-以几个平行振动器形成在隔膜(3)中的方式定位隔膜(3)、电极(1、2)和支撑结构(4、5)，

其特征在于

-加工出一组合件，其包含第一电极(1)、隔膜(3)和隔膜(3)的支撑结构(4、5)，和

-在加工出组合件后，使用电荷对隔膜(3)充电。

13.根据权利要求12中的方法，其特征在于第一电极(1)被形成在隔膜(3)的表面上。

14.根据权利要求12或13中的方法，其特征在于在隔膜的接附之前隔膜(3)被拉伸至一预接紧状态。

15.根据权利要求12-14中的方法，其特征在于隔膜(3)是机电绝缘隔膜(3)，在隔膜被充电时永久电荷驻在隔膜(3)上。

16.一种制造用于机电换能器的隔膜-电极对的方法，其特征在于

-获得电极(1)，

-获得隔膜(3)，

-获得支撑结构(4)，其是分离支撑结构(4)或是永久地接附至电极(1)或隔膜(3)，

-以隔膜(3)至少部分离开电极(1)一段距离定位的方式将电极(1)、隔膜(3)和支撑结构(4)互相接附，和

-使用电荷对接附的隔膜(3)充电。

17.根据权利要求16中的方法，其特征在于以隔膜(3)接收特定一预拉紧的方式将电极(1)、隔膜(3)和支撑结构(4)互相接附。

18.根据权利要求16或17中的方法，其特征在于隔膜(3)是机电绝缘隔膜(3)，在对隔膜充电时永久电荷驻在隔膜(3)上。

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