CN1897764B - 使用隔膜的电声换能器以及用于制造隔膜的方法 - Google Patents

Abstract

一种电声换能器有杯形腔室和由可变形电致伸缩聚合物制成的隔膜，该隔膜安装在腔室的开口上。电声换能器还有第一和第二自适应电极层，该第一和第二自适应电极层形成于隔膜的前表面和后表面上，由直流偏置电压偏置的音频信号电压横过所述电极层施加。第一和第二自适应电极层的形状可根据隔膜的形状变化来进行调节。隔膜形成为使得隔膜的前表面和后表面的气压差最大，这样，从而形成它的凹形形状和凸形形状中的任意一个。

Description

使用隔膜的电声换能器以及用于制造隔膜的方法

相关申请的交叉引用

本发明包含日本专利申请JP2005-207426的主题，该日本专利申请JP2005-207426在日本专利局的申请日为2005年7月15日，该文献的全部内容被本文参引。

技术领域

本发明涉及一种使用由可变形电致伸缩聚合物制成的隔膜的电声换能器(例如扬声器)以及一种用于制造在电声换能器中使用的隔膜的方法。

背景技术

已经提出了具有隔膜(diaphragm)和电极层的电声换能器(electroacoustic transducer)，由直流偏置电压(biased voltage)偏置的音频信号电压横过该电极层施加，所述电极层布置在隔膜的前表面和后表面上。电声换能器利用在隔膜前表面和后表面的气压差来形成凹形或凸形隔膜，这样，它能够将隔膜在其表面方向上的任何变形转变成沿隔膜厚度方向的振动，从而发出音频信号。例如，日本专利申请No.S55-73199公开了这样的电声换能器，其中使用由作为压电聚合物的聚偏氟乙烯薄膜制成的隔膜。而且，国际申请No.PCT/US98/02311(国际公开No.WO98/3529)公开了一种声音促动器，其中使用由弹性体电介质聚合物制成的隔膜。

发明内容

为了使用在上述文献中公开的隔膜来作为用于发出音频信号的高效隔膜，隔膜的前表面和后表面的气压差非常重要。不过，上述文献并没有公开隔膜的形状或者隔膜的前表面和后表面的气压来形成隔膜。而且，当隔膜在不合适的气压下驱动时，它不能高效发出音频信号。

因此希望提供一种电声换能器，该电声换能器使用能够高效发出音频信号的隔膜。

根据本发明实施例，提供了一种电声换能器。该电声换能器有：杯形腔室；隔膜，该隔膜由可变形电致伸缩聚合物制成，该隔膜安装在腔室的开口上；第一和第二自适应电极层，该第一和第二自适应电极层形成于隔膜的前表面和后表面上，由直流偏置电压偏置的音频信号电压跨过所述电极层施加。第一和第二自适应电极层的形状可根据隔膜的形状变化来进行调节。隔膜形成为使得隔膜的前表面和后表面的气压差最大，这样，隔膜能够形成凹形或凸形。

在本发明实施例中，由可变形电致伸缩聚合物制成的隔膜安装在杯形腔室的开口上。形状可根据隔膜的形状变化而进行调节的第一和第二自适应电极层形成于隔膜的前表面和后表面上。该隔膜形成为使得隔膜的前表面和后表面的气压差最大，这样，隔膜能够形成凹形或凸形。当形成隔膜时，气体供给腔室中或者气体从腔室中排出。当在腔室内部和外部的气压差指示为最大值时，停止将气体供给腔室中或停止将气体从腔室中排出。

由直流偏置电压偏置的音频信号电压横过第一和第二自适应电极层来施加。这使得隔膜能够将沿它表面方向的任何变形转变成沿它的厚度方向(与音频信号相符)的振动，从而从隔膜发出音频信号。这时，因为隔膜形成为使得隔膜前表面和后表面的气压差最大，从而使它能够形成凹形或凸形，因此升高了能够再现的最大声压水平，从而使隔膜能够高效发出音频信号。

因此，根据本发明实施例，由可变形电致伸缩聚合物制成的隔膜(该隔膜安装在杯形腔室的开口上)形成为使得隔膜前表面和后表面的气压差最大，这样，隔膜能够形成凹形或凸形，从而使隔膜能够高效发出音频信号。

本说明书的结束部分特别指出和直接要求了本发明的主题。不过，通过阅读说明书的其余部分并参考附图，本领域技术人员将更好地理解本发明的机构和工作方法以及本发明的其它优点和目标，附图中，相同参考标号表示相同元件。

附图说明

图1是本发明实施例的电声换能器的透视图，用于表示它的结构；

图2是本发明实施例的电声换能器的剖视图，用于表示它的结构；

图3是电声换能器的透视图，用于表示在它没有形成之前的隔膜初始状态；

图4是电声换能器的剖视图，用于表示在它没有形成之前的隔膜初始状态；

图5是用于表示当空气供给腔室内时隔膜前表面和后表面的气压差的测量实例的曲线图；

图6是用于表示电声换能器中的驱动电路的结构的电路图；以及

图7是用于表示在直流偏置电压电平和在驱动电路中的放大音频信号之间的关系的曲线图。

具体实施方式

下面将参考附图介绍本发明优选实施例的电声换能器。图1表示了本发明实施例的电声换能器100的结构。图2是它的剖视图。

在电声换能器100中，隔膜102安装在杯形腔室101的开口端101a上。这时，环形保持器103将隔膜102的端部保持在杯形腔室101的开口端101a上。因此，将隔膜102保持在杯形腔室101的开口端101a上能够在腔室101内形成任意封闭空间。

隔膜102由可变形电致伸缩聚合物制成。对于可变形电致伸缩聚合物，可以使用由3M制造的丙烯酸系弹性体VHB 4910。应当知道，隔膜102的端部可以通过任意粘接剂而粘附在杯形腔室101的开口端101a上。腔室101和保持器103由非导电材料制成，例如合成树脂。

自适应电极层104F和自适应电极层104R分别施加和形成于隔膜102的前表面和后表面上。由直流偏置电压偏置的音频信号电压横过这些自适应电极层104F、104R来施加。这些自适应电极层104F、104R分别称为电极层，它们的形状可调节，以便改变隔膜102的形状。对于这些自适应电极层104F、104R，例如可以使用由SHINETSUCHEMICAL KOGYO K.K.制造的导电硅RTV橡胶X-31-2060。

该隔膜102形成为使得隔膜102的前表面和后表面的气压差最大，因此隔膜可以形成凸形。

下面将介绍隔膜102的形成。应当知道，口105布置在腔室101侧壁的某位置处，以便将气体供给腔室101中或从腔室101中排出气体。口106还布置在腔室101侧壁的另一位置处，以便测量腔室101内部的气压。这些口105、106分别由金属管制成，并提供有开/关装置(龙头机构)105a、106a。

测量装置(未示出)安装在口106上，以便通过使开/关装置106a设置在它的打开位置来测量气压。这是因为最终获得腔室101内部和外部的气压差来测量腔室101内部的气压。对于测量装置，例如能够安装公知的水压计，以便很容易获得气压差。

未示出的气体供给装置(例如空气压缩机)安装在口105上，以便通过使开/关装置105a设置在它的打开位置来将气体供给腔室101中。恰好在气体供给腔室101内之前的情况下，在腔室101内部和外部之间没有气压差，从而使得隔膜102扁平，作为它的初始状态。

图3是电声换能器100的透视图，用于表示隔膜102的初始状态。图4是电声换能器100的剖视图，用于表示隔膜102的初始状态。应当知道，图3、4表示了当开/关装置105a、106a分别设置在它们的打开位置时的状态。另一方面，图1、2表示了当开/关装置105a、106a分别设置在它们的关闭位置时的状态。

在初始状态，例如空气压缩机将气体(例如空气)供给腔室101中。腔室101中的气压逐渐增加，且隔膜102膨胀，从而使它变成凸形。当腔室内部和外部的气压差表示为最大值时，空气压缩机停止向腔室101内供给空气。因此，隔膜102形成为使得隔膜102前表面和后表面的气压差最大，这样，它能够变成凸形。

应当知道，当隔膜102的前表面和后表面的气压差表示为最大值时，口105、106的开/关装置105a、106a分别关闭(见图1和2)，从而保持隔膜102的形成形状。

图5表示了当空气供给腔室101内时隔膜102的前表面和后表面的气压差测量实例。应当知道，对于隔膜102，在本测量实例中使用厚度为1mm的、由3M制造的上述丙烯酸系弹性体VHB4910。图5中的垂直轴线为气压差(hPa)，而水平轴线为隔膜102在充气时的高度H与腔室101的直径D之间的比例(见图2)。

由该测量实例清楚可见，气压差随着隔膜102从它的初始状态膨胀至具有最大气压差的点而增加，但是随后气压差减小。在该测量实例中，当H/D为0.5时，气压差表示为20hPa，这是最大气压差。

如上所述，由直流偏置电压偏置的音频信号电压横过这些自适应电极层104F、104R施加，这些自适应电极层104F、104R分别形成于隔膜102的前表面和后表面上。

用于构成端子(音频信号电压施加在该端子上)的金属端子板107布置在保持器103的一部分上。该端子板107通过导电胶108而与形成于隔膜102前表面上的自适应电极层104F电连接。而且，口105通过导电胶109而与形成于隔膜102后表面上的自适应电极层104R电连接。该口105用作施加音频信号电压的端子。

由直流偏置电压偏置的上述音频信号电压横过端子板107和口105来施加，因此音频信号电压能够横过这些自适应电极层104F、104R来施加。

图6表示了在电声换能器100中的驱动电路的结构。升压变压器112的初级线圈112a接收来自音频信号源111的音频信号Sa。这使得升压变压器112的次级线圈112b获得增大的音频信号Sa′。升压变压器112的次级线圈112b的一端与接地的自适应电极层104R直接连接。升压变压器112的次级线圈112b的另一端通过用于截断直流电的电容器113而与自适应电极层104F连接。

高电压产生电路114产生直流偏置高电压VB。高电压产生电路114的负压侧与自适应电极层104R连接，它的正压侧与自适应电极层104F连接。这使得由直流偏置高电压VB偏置的增大音频信号Sa′横过这些自适应电极层104F、104R来施加。

图7表示了在直流偏置高电压VB电平和增大音频信号Sa′之间的关系。直流偏置高电压VB设置成使它能够超过增大音频信号Sa′的峰峰值Vp-p的至少一半。例如，当增大的音频信号Sa′的峰峰值Vp-p为4kV时，直流偏置高电压VB设置为2kV。

下面将介绍图1和2所示的电声换能器100的工作。由直流偏置高电压VB偏置的增大音频信号Sa′通过端子板107和口105而横过这些自适应电极层施加，这些自适应电极层分别形成于隔膜102的前表面和后表面上。

隔膜102由如上述的可变形电致伸缩聚合物制成，这样，当电压横过这些自适应电极层104F、104R施加时，在这些自适应电极层104F、104R之间产生吸引力(库伦吸引力)，从而减小隔膜102的厚度，以便沿它的表面方向获得增大面积。

因为如上所述当由直流偏置高电压VB偏置的增大音频信号Sa′横过这些自适应电极层104F、104R施加时，隔膜102获得沿它的表面方向的增大面积，因此，隔膜102根据增大音频信号Sa′水平而变化。

因为这时，隔膜102形成为产生在隔膜102的前表面和后表面之间的气压差，从而使隔膜102能够形成凸形，如上所述，因此，隔膜102沿它的表面方向变形，从而根据气压差来改变在由腔室101和隔膜102构成的封闭容器中的立方容积。这使得隔膜102根据增大音频信号Sa′水平的变化而沿它的厚度方向振动。因此，增大音频信号Sa′的电能转变成声能，从而使隔膜102能够发出音频信号。

根据图1和2中所示的上述电声换能器100，隔膜102形成为使得隔膜前表面和后表面的气压差最大，这样，它能够形成凸形。这能够升高可再现的最大声压水平，从而使得隔膜能够高效发出音频信号。这是因为能够再现的最大声压水平与腔室101内部和外部之间的气压差成比例。

假定音频信号向所有方向发出，因此能够在离声源一米的范围内再现的最大声压水平SPLmax估计为以下公式(1)。

SPLmax＝20 Log10(气压差/√2/4π/0.00002)    (1)

该最大声压水平SPLmax对应于当隔膜102通过音频信号和直流偏置电压膨胀至最大值，从而使得气压差变成零时的声压。在公式(1)中，气压差除以√2，以便获得气压差的虚拟值；该虚拟值除以半径为1m的球的表面积(在本实施例中r＝1)，以便获得单位面积压力；该单位面积压力除以参考压力0.00002(等于0db的声压水平)，以便获得参考压力的放大；且使用该放大使得能够获得最大声压水平SPLmax。应当知道，当气压差为20hPa时(如图5中所示的测量实例)，最大声压水平SPLmax为135dB。

尽管在上述实施例中，隔膜102形成为使得隔膜102的前表面和后表面的气压差最大，从而使它能够形成凸形，不过隔膜102也能够形成为使得隔膜102的前表面和后表面的气压差最大，从而使它能够形成凹形。

这时，在初始状态(见图3和4)，空气通过口105而从腔室101中排出。在腔室101中的气压逐渐减小，且隔膜102下陷，从而使它变成凹形。当腔室内部和外部的气压差表示为最大值时，停止从腔室101中排出空气。

因此，隔膜102形成为使得隔膜102的前表面和后表面的气压差最大，从而使它能够变成凹形。当隔膜102形成凹形时，电声换能器100能够有与在其中隔膜102形成凸形的电声换能器相同的良好效果。

尽管在上述实施例中，口105、106分别被提供有开/关装置(龙头机构)105a、106a，不过各口105、106也可以不被提供开/关装置。这时，各口105、106的开口通过任意密封化合物来密封，或者在隔膜102的前表面和后表面的气压差表示为最大值的状态下进行熔合，从而保持它的封闭状态。

尽管在上述实施例中，腔室101被提供有用于测量腔室101内的气压的口，且口106例如被提供有压力计(manometer)以便测量在腔室101内部和外部之间的气压差，从而当气压差表示为最大值时隔膜102能够形成凹形或凸形，不过本发明并不局限于此。预先确定当气压差保持为最大值时隔膜102的凹形形状或凸形形状，然后可根据该形状形成隔膜102。这时，腔室101的口能够省略。

本发明用于使用由可变形电致伸缩聚合物制成的隔膜的电声换能器，例如扬声器和麦克风。本领域技术人员应当知道，可以根据设计要求和其它因素来进行各种改变、组合、再组合和替换，只要它们在附加权利要求或它们的等效物的范围内。

Claims (2)

1.一种用于制造在电声换能器中使用的隔膜的装置，该电声换能器包括：

杯形腔室；

隔膜，该隔膜由可变形电致伸缩聚合物制成，所述隔膜安装在腔室的开口上；以及

第一和第二自适应电极层，所述第一和第二自适应电极层形成于隔膜的前表面和后表面上，由直流偏置电压偏置的音频信号电压跨过所述第一和第二自适应电极层施加，所述第一和第二自适应电极层的形状可根据隔膜的形状变化来进行调节，

所述装置包括：

执行将气体供给腔室内和从腔室内排出气体中的任意一个的装置；

测量装置，被配置为测量腔室内部的气压；以及

开关装置，被配置为当腔室内部和外部的气压差指示最大时，停止所述执行将气体供给腔室内和从腔室内排出气体中的任意一个的装置。

2.一种用于制造在电声换能器中使用的隔膜的方法，该电声换能器包括：

杯形腔室；

隔膜，该隔膜由可变形电致伸缩聚合物制成，所述隔膜安装在腔室的开口上；以及

第一和第二自适应电极层，所述第一和第二自适应电极层形成于隔膜的前表面和后表面上，由直流偏置电压偏置的音频信号电压跨过所述第一和第二自适应电极层施加，所述第一和第二自适应电极层的形状可根据隔膜的形状变化来进行调节；

所述方法包括以下步骤：

执行将气体供给腔室内和从腔室内排出气体中的任意一个；以及

当腔室内部和外部的气压差指示最大时，停止执行将气体供给腔室内和从腔室内排出气体中的任意一个。

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