專利名稱：壓電電聲換能器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種壓電電聲換能器，如壓電蜂鳴器和壓電受話器。
但是，使用圓形隔膜片時，會存在如下問題生產效率低、聲音轉換效率低，并且難以使壓電電聲換能器小型化。
日本未審專利申請公開中公開了一種壓電電聲換能器，它能夠提高生產效率和聲音轉換效率，并且通過使用矩形隔膜片而能夠實現小型化。這種壓電電聲換能器包括矩形壓電隔膜片；絕緣容器，它具有底壁、四個側壁和設在彼此相對的兩個側壁之間內部的支撐部件，用以支撐隔膜片，這個支撐部件設有第一和第二導電部件，用于外連接；以及蓋板，其上設有用于發聲的孔。所述隔膜片裝在外殼中，其中用膠或彈性密封劑將隔膜片兩個相對側面固定在所述支撐部件上，同時用彈性密封劑密封該隔膜片的其余兩側與外殼之間的空隙，從而由導電膠使該隔膜片以及第一和第二導電部件電連接在一起，并且該蓋板粘接在容器側壁的開口端。
作為另一種固定壓電隔膜片的方法，還有一種方法，是用膠或彈性密封劑將隔膜片的四側固定在支撐部件上。
在所述隔膜片中，彎曲振動可以是長度彎曲模式和面積彎曲模式的彎曲振動，與隔膜片被支撐的方式相應。前者是由長度方向的兩個端部作為支撐，沿板厚度方向的彎曲振動模式，其中將隔膜片的兩側固定于容器；后者是通過將隔膜片的四側固定于容器，由四側作為支撐，使隔膜片整個面積沿板厚度方向彎曲振動的模式，從而對角線的交點具有最大位移。
但傳統的長度彎曲模式和面積彎曲模式中的任何一種彎曲振動都有如下缺陷隔膜片的共振頻率高，不能提高低頻范圍內的聲壓。當增加外殼和隔膜片的尺寸時，可使共振頻率的頻率降低。但也因此而使該壓電電聲換能器的尺寸變大。
另外，傳統的壓電電聲換能器還有如下問題當隔膜片發生翹曲或卷繞時，其共振頻率不穩定，因為隔膜片的兩側或四側被牢固地約束著。
按照本發明的優選實施例，提供一種壓電電聲換能器，包括具有電極并且基本為矩形的壓電隔膜片，它響應在電極之間沿板厚度方向施加的交變信號產生彎曲振動；外殼，用于容納壓所述電隔膜片，其中該外殼設有支撐部件，用于支撐壓電隔膜片的四個邊角。
當被照例將隔膜片的四側支撐在外殼上時，以及按照本發明的優選實施例當使隔膜片的四個邊角支撐在其上時，在這兩種情況下，所述隔膜片都是按照面積彎曲模式振動。但是如

圖1A和1B所示，振動波節是不同的。也就是在如圖1A所示那樣支撐隔膜片的四側時，隔膜片以內切圓為波節振動，而在如圖1B所示那樣支撐隔膜片的四個邊角時，所述隔膜片以基本外接于該隔膜片的圓為波節振動。因此，與前者相比，后者在圓中心處的位移最大，即聲壓更大。而且，與前者相比，后者的隔膜片位移面積更大，從而后者的振動頻率更低，于是，即使在相同外部尺寸的隔膜片中也能夠實現低頻。
圖1A和1B示出以上述不同的方式支撐隔膜片的四側的比較。即使與支撐隔膜片兩側的情況比較，在本發明優選實施例的支撐結構中，也極大地減小對隔膜片的約束力，從而可以實現低頻，并可提高低頻范圍的聲壓。
如上所述，通過支撐隔膜片的四個邊角，可以實現小型化并使頻率降低，因為隔膜片是可以自由偏轉的，而且，即使在隔膜片發生翹曲或卷繞的情況下，也能防止在共振頻率下的振動。
按照本發明優選實施例的壓電電聲換能器還可以包括端部電極，具有露出于支撐部件附近的內連接和露出于外殼外表面并與內連接電連接的外連接；以及導電膠，其中可以由導電膠使壓電隔膜片的電極與端部電極的內連接電連接在一起。
這就是說，為使隔膜片按照面積彎曲模式振動，必須在隔膜片的電極之間施加交變信號。通過用導電膠將隔膜片的電極連接至露出在外殼支撐部件附近的內連接，就可以通過盡可能減小抵抗隔膜片振動之抑制力而施加交變信號。
另外，當譬如使用氨基甲酸乙酯導電糊作為導電膠時，因其在固化之后的彈性，而不需要較大的抵抗隔膜片的抑制力。
最好用彈性密封劑密封壓電隔膜片的外周與外殼內周之間的間隙。
即使在隔膜片按照面積彎曲振動方式彎曲振動的情況下，如果在隔膜片和外殼之間存在間隙，就會有空氣從其中泄漏，因此不能得到聲壓。通過用彈性密封劑密封壓電隔膜片的外周與外殼內周之間的間隙，可以避免空氣泄漏，而不會妨礙隔膜片的振動。
對于彈性密封劑而言，譬如可以使用硅酮膠；也可以使用其它的密封劑。
所述壓電隔膜片最好包括至少附著在隔膜片外周的膜，通過將膜片熔融或粘接在外殼的內周而密封壓電隔膜片與外殼之間的間隙。
盡管可以通過施加彈性密封劑密封隔膜片與外殼之間的間隙，但是當把過厚的彈性密封劑附著在隔膜片與外殼之間的間隙中時，可能會使振動衰減。因此，當隔膜片和外殼用薄膜連接時，會使所述的隔膜片容易振動，從而能夠獲得高的聲壓。
可以將所述的膜片只附著在隔膜片的外周，或者可以附著在隔膜片的整個表面上。
最好使設在外殼中的各支撐部件是突起件，用于壓電隔膜片的四個邊角附近的點支撐。
也就是說，當支撐部件可以是平的，從而在其表面上支撐隔膜片的四個邊角時，其中使接觸面積增加，從而可能使振動衰減。但是，當支撐部件是突起件時，所述隔膜片很少受到抑制，由此提高了聲壓特性。
在這種情況下，當在外殼的上下部分設置相對的突起，以便在突起之間夾住隔膜片的邊角時，可以省略用膠來固定的步驟，從而簡化制造程序，并且由于支撐面積減少，從而可以避免振動的衰減。
從以下參考附圖對優選實施例的詳細描述，可使本發明的其它特征、要素、特征和優點了解得更加清楚。
圖8是本發明第二優選實施例壓電電聲換能器的平面視圖，圖中已去掉蓋板和彈性密封劑；圖9為沿圖8的C-C線的截面圖；圖10為圖8所示壓電電聲換能器中所包括的外殼的透視圖；圖11本發明第三優選實施例壓電電聲換能器的透視圖，圖中已去掉蓋板；圖12是圖11所示容器和隔膜片的裝配示意圖。
本優選實施例電聲換能器適用于寬頻，如壓電受話器，它包括層狀結構的壓電隔膜片1、容器10和蓋板20。所述容器10和蓋板20構成外殼。
如圖5和6所示，最好通過沉積兩個壓電陶瓷層1a和1b制成所述隔膜片1，并且包括設在兩個主平面上的主平面電極2和3，以及設在陶瓷層1a和1b之間的內電極4。如圖中粗線所示，這兩個陶瓷層1a和1b沿著一個厚度方向被極化。最好使上部主表面電極2和底部主表面電極3比隔膜片1的側面長度略小，它們的一個端部連接到設在隔膜片1的一個端面上的端面電極5。從而使兩個主平面電極2和3彼此連接。內電極4基本與主平面電極2和3對稱，內電極4的一端與端面電極5分開，而其另一端連接至設在隔膜片1的另一端面上的端面電極6。另外，在隔膜片1的另一端的兩個表面上，設置寬度較小的輔助電極7，用于電連接至端面電極6。
在隔膜片1的上表面和底表面上，設置樹脂層8和9，分別用以覆蓋主平面電極2和3。提供樹脂層8和9，用以提高破損的強度。在上部和底部樹脂層8和9上，在隔膜片1的沿對角線彼此相對的邊角的附近，設置露出主平面電極2和3的斷口8a和9a和露出輔助電極7的斷口8b和9b。
另外，可以只將斷口8a、8b、9a和9b設在上部表面和底部表面之一上。但是，為了避免頂部和底部的方向性，按照本發明的優選實施例，是將斷口8a、8b、9a和9b設在兩個表面上。
輔助電極7不必是具有預定寬度的帶電極，它可以只設置在與斷口8b和9b對應的位置處。
按照本優選實施例，最好用尺寸約為10mm×10mm×20μm的PZT陶瓷層作為陶瓷層1a和1b，最好用厚度約為5μm-10μm的聚酰胺酰亞胺樹脂作為樹脂層8和9。
最好使由絕緣材料，如陶瓷和樹脂制成的容器10基本成矩形的盒狀，它有底壁10a和四個側壁10b-10e。在形成樹脂容器10時，可以首選使用耐熱樹脂，如LCP(液晶聚合物)、SPS(間同聚苯乙烯)、PPS(聚苯硫醚)和環氧樹脂。在四個側壁10b-10e的內周中，案環形布局形成階梯10f。在兩個相對的側壁10b和10d內的階梯10f上，露出一對端部11和12的內連接11a和12a。通過夾物模壓在容器10中給出端部11和12，其中突出在容器10外面的外連接11b和12b被沿著側壁10b和10d的外表面朝向容器10的底壁10a彎曲。按照本實施例，端部11和12的內連接11a和12a最好分別是分叉狀的。這些分叉狀的內連接11a和12a位于容器10的邊角附近。
如圖3和4所示，階梯10f中的四個邊角設有支撐部件10g，這種支撐部件設在比階梯10f低一個階梯的位置上，用于支撐隔膜片1的四個邊角。因此，當將隔膜片1放置在支撐部件10g上時，隔膜片1的上表面基本與端部11和12的內連接11a和12a的上表面高度一致。其中支撐部件10g從平面看基本上呈三角形，并在同一圈上設置四個支撐部件10g。
另外，底壁10a設有布置于其中的第一發聲孔10h。
將隔膜片1裝入到容器10內，從而用彈性支撐材料13在四個位置處固定于支撐部件10g或其附近。即將彈性支撐材料1 3加至在斷口8a中露出的主電極2與端部11的內連接11a之間，以及露出在與斷口8a沿對角線相對的斷口8b中的輔助電極7和端部12的內連接12a之間。剩下的彼此沿對角線相對的兩個位置也被涂布有彈性支撐材料13。另外，按照縱向對準的基本成橢圓形狀加給彈性支撐材料13。但是該涂布形狀不限于基本為橢圓形。作為彈性支撐材料13，譬如可以使用固化后楊氏模量為3.7×106Pa的氨基甲酸乙酯膠。由于該彈性支撐材料13在固化前的粘度高(比如為50-120dPa·s)，從而使得彈性支撐材料13非常難以鋪展，而且，當其施加之后，彈性支撐材料13也難以通過隔膜片1和容器10之間的間隙向下流至底壁10a。在加給彈性支撐材料13之后，將其加熱并固化。
另外，作為固定隔膜片1的方法，可在將隔膜片1裝入容器10內之后，利用分配器等加給彈性支撐材料13，或者可以在隔膜片1已經提前涂布了彈性支撐材料13的情況下，將隔膜片1裝入容器10內。
彈性支撐材料13的涂布位置可以首選盡可能靠近支撐部件10g。圖3中的彈性支撐材料13被加在與支撐部件10g稍微分開的位置處。這是因為導電膠14的位置是橫靠著彈性支撐材料13的。因此，當把隔膜片1的電極和內連接11a以及12a設在容器10的邊角處時，也可使彈性支撐材料13的涂布位置在支撐部件10g處。
在彈性支撐材料13固化之后，最好在以基本為橢圓形加給的彈性支撐材料13上按照基本為橢圓形加給導電膠14，使之與彈性支撐材料13相交，以使主平面電極2和端部11的內連接11a連接在一起，并且也使輔助電極7和端部12的內連接12a連接在一起。作為導電膠14，比如可以使用固化后楊氏模量約為0.3×109Pa的氨基甲酸乙酯導電糊。施加給導電膠14之后，對其進行加熱和固化。導電膠14的形狀不限于基本為橢圓形的。所述涂布形狀可以是能夠足以通過位于與彈性支撐材料13橫靠的位置而使主平面電極2和內連接11a、以及輔助電極7和內連接12a之間進行連接的任何形狀。
在加給并固化了導電膠14之后，在隔膜片1的整個外周以及容器10的內周之間的空隙涂布彈性密封劑15，從而防止隔膜片1的上部表面和底部表面之間的空氣泄漏。在按照環形布局施加了彈性密封劑15之后，對其進行加熱和固化。作為彈性密封劑15，例如使用固化后的楊氏模量為3.0×105Pa的硅酮膠。
在如上述那樣將隔膜片1固定于容器10之后，將蓋板20用膠21粘接在容器10的上開口上。蓋板20最好由與容器10相同的材料制成。通過粘接蓋板20，就在蓋板20與隔膜片1之間形成聲音空間。蓋板20中形成有第二發聲孔22。
按照上述方式，就完成表面安裝型的壓電電聲換能器。
在本優選實施例的電聲換能器中，當將預定的交變電壓加于端部11和12之間時，隔膜片1按照面積彎曲模式振動。在與電場同方向被極化的壓電陶瓷層在平面方向收縮，而在與電場相反方向被極化的壓電陶瓷層在平面方向膨脹，從而整個結構沿厚度方向彎曲。
按照本實施例，由于隔膜片30是沉積的陶瓷結構，并且沿厚度方向順次設置的兩個振動區域(陶瓷層)沿彼此相反的方向振動，從而與單壓電晶片型隔膜片相比，可以獲得較大的位移，即較大的聲壓。
圖7示出當隔膜片1的兩側支撐在容器上以及當其四個邊角支撐在容器上時的聲音特性。根據圖中清楚的顯示可以理解，前者的共振頻率約在1200Hz，而后者的共振頻率約在800Hz，從而，因為用四個邊角支撐隔膜片而使共振頻率降低，另外，在所述共振頻率處的聲壓也被提高。
圖8-10表示本發明第二優選實施例的壓電電聲換能器。根據這個第二優選實施例，在容器的四個邊角處設置底座10i，在底座10i的上部表面上設置自其上突出的突起10j，從而使隔膜片1的邊角的底部表面基本被突起10j點支撐。
在這種情況下，大大減小了隔膜片1與突起10j之間的接觸面積，從而不會使振動衰減，從而使聲音特性得到改善。
另外，圖10中省去側壁10c和10e中的階梯10f。
按照本發明的第二實施例，蓋板20可以在底部表面上設有突起，并與容器10的突起10j相對，從而在這些突起之間從上和下方向夾住所述隔膜片。
圖11和12表示本發明第三優選實施例的壓電電聲換能器。
按照本優選實施例，盡管沿著外殼內側整個周邊設置階梯10k，但是在階梯10k的四個邊角處設置向內延伸的支撐部件10l。階梯10k和支撐部件10l高度相同。隔膜片1粘接在比該隔膜片1尺寸大的膜30上。隔膜片1的四個邊角放置在支撐部件10l上，同時，不將其四側設置成被安裝在階梯10k上。對于膜30而言，可以使用不妨礙隔膜片1彎曲振動的彈性薄膜，比如可以使用聚酰亞胺。膜30的整個周邊粘接或熔融在階梯10k以及容器10的支撐部件10l上。
在這種情況下，由于膜30起到將隔膜片1固定于容器10并且密封容器10孔隙的作用，可以省去彈性支撐材料13或導電膠14。而且不會因為涂布過多的彈性密封劑15而使隔膜片1的振動受到衰減。
另外，膜30也不限于被粘接在隔膜片1整個表面上的基本矩形，它可以是只粘接在隔膜片的周邊的框形。膜30也不限于只粘接在隔膜片1的底部表面上，它可以粘接在上部表面或者兩個表面上。
按照本優選實施例，為了穩定和可靠地支撐隔膜片1的四個邊角，可以在蓋板20的底部表面上形成凸形部件，從而可由這個凸形部件將隔膜片1的邊角頂向各支撐部件101。
盡管圖11和12中省去設在容器10中的端部，但它們基本與圖2或圖10相同。在這種情況下，可能也需要只用導電膠連接各端部的內連接和隔膜片1的各電極。
本發明不限于上述實施例，可以在本發明的精神和范圍內進行改進。
通過沉積兩個壓電陶瓷層而制造各優選實施例的隔膜片30；或者可以通過沉積三個或多個壓電陶瓷層來制造各壓電隔膜片。
再有，所述壓電隔膜片也不限于多層壓電陶瓷層的沉積結構。可以使用將壓電板在金屬板的一個表面或兩個表面上粘接制成的隔膜片。
本發明的端部電極不限于有如各實施例中的插入端部。這種端部電極可以是從外殼的支撐部件向外延伸的薄膜或厚膜的電極。
本發明的外殼可以是任何結構，只要它能夠裝入到壓電隔膜片中、并能夠支撐其四個邊角即可，并且它不限于具有凹形截面以及將蓋板如實施例所述那樣粘接在其上表面的外殼，如上述各優選實施例所述那樣。
盡管已經描述了本發明的各優選實施例，但是可以理解，本領域的技術人員可以在不脫離本發明范圍和精神的情況下，作出各種改型和變更。因此，本發明的范圍只由如下各權利要求來確定。
權利要求
1.一種壓電電聲換能器，包括基本為矩形的壓電隔膜片，它具有電極并響應在電極之間施加的交變信號而沿板厚度方向產生彎曲振動；外殼，具有設置于其中的壓電隔膜片；其中所述外殼設有支撐部件，用以支撐壓電隔膜片的四個邊角。
2.如權利要求1所述的換能器，其中，還包括端部電極，它具有露出于支撐部件附近的內連接和露出于外殼外表面并與所述內連接電連接的外連接；以及導電膠；其中所述壓電隔膜片的電極和端部電極的內連接由導電膠電連接在一起。
3.如權利要求1所述的換能器，其中，還包括彈性密封劑，其中所述壓電隔膜片的外周與所述外殼的內周之間的間隙用該彈性密封劑密封。
4.如權利要求1所述的換能器，其中，所述壓電隔膜片包括至少附著在所述隔膜片外周的膜，所述壓電隔膜片與外殼之間的間隙通過該膜在外殼內周中熔融或粘接而密封。
5.如權利要求1所述的換能器，其中，設在所述外殼中的支撐部件是突起，它們被布置成對所述壓電隔膜片四個邊角附近的點支撐。
6.如權利要求1所述的換能器，其中，所述外殼包括容器和蓋板。
7.如權利要求1所述的換能器，其中，所述電極小于所述隔膜片的側面長度。
8.如權利要求1所述的換能器，其中，所述各電極被樹脂所覆蓋。
9.如權利要求8所述的換能器，其中，在所述樹脂中形成斷口，以露出部分電極。
10.如權利要求1所述的換能器，其中，所述外殼包括四個側壁和按環形布局設置在四個側壁的內周上的階梯。
11.如權利要求1所述的換能器，其中，所述外殼包括內端部和用于各內端部的內連接。
12.如權利要求1所述的換能器，其中，所述各內端部的內連接具有位于所述隔膜片邊角內的分叉結構。
13.如權利要求10所述的換能器，其中，所述各支撐部件位于各階梯內的所述隔膜片的四個邊角處，并設在比所述各階梯低的位置。
14.如權利要求11所述的換能器，其中，所述隔膜片的上部表面基本與各內端部的內連接的上部表面高度一致。
15.如權利要求1所述的換能器，其中，所述各支撐部件按平面視圖基本呈三角形，并且所述各支撐部件被設在同一圓周上。
16.如權利要求1所述的換能器，其中，還包括彈性支撐材料，它被布置成用以將各支撐部件固定于所述隔膜片上。
17.如權利要求16所述的換能器，其中，所述彈性支撐材料具有縱向對準的基本上為橢圓的形狀。
18.如權利要求16所述的換能器，其中，所述彈性支撐材料是固化后楊氏模量為3.7×106Pa的氨基甲酸乙酯膠。
19.如權利要求1所述的換能器，其中，在所述容器的四個邊角處設有多個底座，并且在各底座的上部表面設置突起，以使其自其上突出。
20.如權利要求19所述的換能器，其中，所述隔膜片的邊角的底部表面基本上由所述各突起點支撐。
全文摘要
一種壓電電聲換能器，它是小型化的，并具有被降低的頻率，即使在隔膜片發生翹曲或卷繞時，共振頻率也是穩定的。該壓電電聲換能器包括基本為矩形的壓電隔膜片，響應在各電極之間所加給的交變信號而沿厚度方向產生彎曲振動；外殼，用于容納壓電隔膜片；其中所述外殼設有支撐部件，用于支撐壓電隔膜片的四個邊角。
文檔編號H04R7/00GK1396752SQ0212441
公開日2003年2月12日 申請日期2002年6月27日 優先權日2001年7月9日
發明者竹島哲夫, 中村好孝, 田島清高 申請人:株式會社村田制作所