採用叉指或螺旋電極的壓電揚聲器的製作方法

2023-06-28 11:27:16

專利名稱：採用叉指或螺旋電極的壓電揚聲器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於揚聲器技術領域，特別涉及一種採用叉指或螺旋電極的壓電揚聲 器。
背景技術：
揚聲器是一種電-力-聲換能器，它是音響設備中的重要元件。揚聲器在人們平
時的日常生活中廣泛被使用，帶來了很多的便利，汽車、廣播、電視、音箱、手機、MP4、電腦等
電子產品領域中，揚聲器的應用幾乎隨處可見。揚聲器的種類很多，按其能量轉換原理可分
為電動式(即動圈式)、靜電式(即電容式)、電磁式(即舌簧式)、壓電式等幾種；按頻率
範圍可分為低音揚聲器、中音揚聲器、高音揚聲器，其中動圈式揚聲器應用最為廣泛。而壓 電揚聲器因其小、薄、輕的特點，在當今器件小型化的趨勢下，具有極其光明的前景與未來。
目前大多數壓電揚聲器的振動發聲部分的基本原理為電極接通交流電，由於逆
壓電效應，壓電陶瓷片產生振動，使金屬振膜發生彎曲變形，從而產生振動，進而推動空氣
振動，產生聲壓，發出聲音。 與傳統的動圈揚聲器相比，壓電揚聲器有以下幾點優勢 1.壓電揚聲器結構中不需要磁鐵，從而也不會存在任何的磁場對周圍的電路產生 幹擾和影響； 2.壓電揚聲器的厚度超薄，相比動圈式揚聲器，壓電揚聲器可安裝於更為狹小的 空間中，這一點使其在當今市場極具有競爭力； 3.壓電揚聲器具有輕便的特點，重量一般都小於lg，比傳統的動圈揚聲器輕 50% -80% ; 4.壓電揚聲器功耗低，一般小於15mW，是動圈式揚聲器消耗功率的1/5-1/2，這大 大延長了器件的電池壽命； 5.壓電揚聲器的聲學設計簡單，背面只需很少空間，不需要對於動圈揚聲器所必 須的用於提高聲壓級的空腔。 在相比於傳統揚聲器具備很大優勢的同時，普通壓電揚聲器也存在一些缺點。例 如，壓電揚聲器第一階諧振頻率較高，低頻特性稍差。這主要跟壓電陶瓷的尺寸和約束方式 相關。壓電揚聲器需要很高的驅動電壓，驅動電壓的高低取決於所使用的壓電材料的類型、 壓電層的大小(包括厚度和體積)以及壓電層的層數。 在總厚度不變的情況下，採用多層壓電陶瓷會使驅動電壓相應地降低，這是一種 目前主流的解決方法，但也會帶來加工工藝複雜、成本提高的弊端。尤其是，壓電揚聲器一 旦採用多層陶瓷結構，則生產工藝上必須考慮採用Ag-Pb銀鈀貴金屬內電極，以及壓電陶 瓷低溫燒結技術，這些目前最先進的陶瓷燒成技術勢必增加壓電揚聲器的生產成本和產品 的後續研發成本。另外，目前多層壓電揚聲器由於陶瓷介質層與內電極層之間熱匹配、電致 疲勞與物理性疲勞、製備工藝複雜等因素，形成了生產中所製備的陶瓷和揚聲器電學參數 的離散性較大。如靜態電容離散範圍有300nF，最低頻率的離散範圍有300 400Hz，阻抗
3離散範圍有200歐姆，平均聲壓級離散範圍有10dB。
發明內容本實用新型的目的是提供一種結構簡單、成本低、性能優良的採用叉指或螺旋電
極的壓電揚聲器，其結構包括振膜，粘結在振膜上的壓電陶瓷片，壓電陶瓷片表面的電極，
用來約束振膜的邊框，電極分為正電極和負電極兩部分，且電極為叉指結構排列、叉指螺旋
結構排列、圓形叉指螺旋結構排列、多邊形叉指螺旋結構排列。 所述電極還為圓形或多邊形同心交錯結構排列。 所述壓電陶瓷片的軸向截面為圓形、橢圓或矩形。 所述電極粘結於壓電陶瓷片的表面，或嵌入壓電陶瓷片中。 所述正電極和負電極位於壓電陶瓷片的同側，或分別位於壓電陶瓷片的兩側，並 在俯視圖下保持交錯排列。 所述正電極和負電極分別位於壓電陶瓷片的兩側的情況時，壓電陶瓷片為絕緣材 料。 所述振膜僅一面粘結壓電陶瓷片，或雙面均粘結壓電陶瓷片。 所述正電極與負電極之間的距離小於壓電陶瓷片厚度的兩倍。 本實用新型的有益效果為 (1)在保持傳統平板揚聲器優異性能的基礎上，不採用銀鈀(Ag/Pb)內電極結構， 由於揚聲器電極材料不採用貴金屬鈀，可明顯降低器件的製造成本40% 50%，使得未 來所製備的新型壓電揚聲器的性能接近於多層壓電揚聲器，而成本卻只有多層揚聲器的一 半； (2)目前多層壓電揚聲器採用流延工藝，壓電陶瓷介質層與內電極層交替覆蓋，形 成多層結構，並將壓電陶瓷與內電極在爐子中一次燒成；本專利提出的新型揚聲器，其電極 處理工藝與流延工藝分離，陶瓷燒結後，檢驗合格再進行電極處理，避免了傳統技術中因陶 瓷報廢而造成內電極浪費的現象； (3)採用雷射照射快速電極成型工藝，可以明顯提高壓電揚聲器的成品率、一致性 和生產效率，明顯減小陶瓷靜態電容和諧振頻率的離散性； (4)可實現幾個微米尺度電極間距的陶瓷介質層的極化，未來目標性能可超過多 層平板揚聲器；另外，多層壓電揚聲器由於陶瓷與內電極共燒，引起內電極不連續，降低多 層壓電陶瓷的總壓電常數近40%，而本實用新型所述壓電揚聲器不存在該問題。

圖1為現有壓電揚聲器的發聲部分結構示意圖； 圖2為本實用新型實施例1的等軸側視圖； 圖3為本實用新型實施例2的等軸側視圖； 圖4為本實用新型實施例3的組裝示意圖； 圖5a為本實用新型實施例4的組裝示意圖； 圖5b為本實用新型實施例4的陶瓷片及電極的正面視圖； 圖5c為本實用新型實施例4的陶瓷片及電極的背面視4[0032] 圖6為本實用新型實施例5的組裝示意圖； 圖7a為本實用新型實施例6的組裝示意圖； 圖7b為本實用新型實施例6的陶瓷片及電極的正面視圖； 圖7c為本實用新型實施例6的陶瓷片及電極的背面視圖； 圖8為本實用新型實施例7的組裝示意圖。 圖中標號 1-電極；2_壓電陶瓷片；3_振膜；4a_正電極；4b_負電極； 5-邊框；6a-正電極與正極引線連接點；6b_負電極與負極引線連接點； 7a-正極引線；7b_負極引線。
具體實施方式本實用新型提供了一種採用叉指或螺旋電極的壓電揚聲器，
以下結合附圖說明和具體實施方式
對本實用新型做進一步說明。 壓電揚聲器的金屬振膜的振動變形通常是由於壓電陶瓷在振膜平面內的伸縮運 動引起的。圖1為現有壓電揚聲器的發聲部分結構示意圖，壓電揚聲器由於電極1位於壓 電陶瓷片2的上下表面，極化方向亦垂直于振膜3平面，振膜3平面內的應變與電場強度的 關係如下Xl = (131^，其中，Xl為與極化方向垂直的應變(即振膜平面內的應變)，d31為壓 電應變係數，E3為極化方向的電場強度。 以下各個實施例中，電極材料均為銀等導電金屬，正電極4a和負電極4b的間距小
於壓電陶瓷片厚度的兩倍。 實施例1 圖2為本實用新型實施例1的等軸側視圖。電極1為叉指螺旋狀結構，電極1分為 正電極4a和負電極4b，電鍍於壓電陶瓷片2的上表面，壓電陶瓷片2粘貼于振膜3上，並用 邊框5來約束固定振膜3。由於壓電陶瓷片2的厚度小於lmm，可以認為電極產生的電場方 向位于振膜3平面內，壓電陶瓷片2的極化方向亦位于振膜3平面內，S卩壓電介質層中的 極化方向與電場方向一致。這樣，振膜3平面內的應變與電場強度的關係如下x3 = d33E3， 其中，&為與極化方向的應變(即振膜3平面內的應變)，d33為壓電應變係數，E3為極化方 向的電場強度。 對於各種常見的壓電陶瓷材料，通常滿足(133 > 2(131，由此可見，在忽略非線性因
素，極化方向有相同的電場強度的情況下，本實用新型中壓電陶瓷片2在振膜3平面方向的
應變是傳統壓電揚聲器相應應變的兩倍以上，這必然會使本實用新型產生的聲壓級較傳統
的壓電揚聲器有很大的提高。 實施例2 圖3為本實用新型實施例2的等軸側視圖。本實施例中，正電極4a和負電極4b 為螺線型叉指螺旋結構，振膜3和壓電陶瓷片2的軸向截面均為圓形，其餘結構與實施例1 相同。 實施例3 圖4為本實用新型實施例3的組裝示意圖。本實施例中，電極1為方形叉指狀結 構，正電極4a和負電極4b交錯排列，同性電極各部分間分別由正極引線7a和負極引線7b通過正電極與正極引線連接點6a和負電極與負極引線連接點6b導通，其餘結構與實施例 l相同。 實施例4 圖5a為本實用新型實施例4的組裝示意圖；圖5b為本實用新型實施例4的陶瓷 片及電極的正面視圖；圖5c為本實用新型實施例4的陶瓷片及電極的背面視圖。本實施例 中，正電極4a和負電極4b為方形同心交錯結構排列，正電極4a和負電極4b分別位於壓電 陶瓷片2的兩側，但在俯視圖(視線垂直於陶瓷片表面)下保持交錯排列，同性電極各部分 間分別由正極引線7a和負極引線7b通過正電極與正極引線連接點6a和負電極與負極引 線連接點6b導通，其餘結構與實施例1相同。 實施例5 圖6為本實用新型實施例5的組裝示意圖。本實施例中，電極1為圓形同心交錯 結構排列，正電極4a和負電極4b交錯排列，同性電極各部分間分別由正極引線7a和負極 引線7b通過正電極與正極引線連接點6a和負電極與負極引線連接點6b導通，其餘結構與 實施例1相同。 實施例6 圖7a為本實用新型實施例6的組裝示意圖；圖7b為本實用新型實施例6的陶瓷 片及電極的正面視圖；圖7c為本實用新型實施例6的陶瓷片及電極的背面視圖。本實施 例中，電極1為圓形同心交錯結構排列，正電極4a和負電極4b分別位於壓電陶瓷片2的兩 側，但在俯視圖(視線垂直於陶瓷片表面)下保持交錯排列，同性電極各部分間分別由正極 引線7a和負極引線7b通過正電極與正極引線連接點6a和負電極與負極引線連接點6b導
通，其餘結構與實施例l相同。 實施例7 圖8為本實用新型實施例7的組裝示意圖。本實施例中，電極1為叉指狀結構，正 電極4a和負電極4b交錯排列，同性電極各部分間分別由正極引線7a和負極引線7b通過 正電極與正極引線連接點6a和負電極與負極引線連接點6b導通，壓電陶瓷片2，振膜3均 為矩形，其餘結構與實施例1相同。 揚聲器的最低諧振頻率用壓電陶瓷的厚度和振膜材質及其邊界條件調整，而陶瓷 介質中的電場強度和聲壓級由陶瓷表面的叉指或螺旋電極的形狀和電極間距來調整。這樣 避免傳統壓電揚聲器設計中陶瓷的厚度和單層厚度，既會影響到壓電揚聲器的最低諧振頻 率，又會影響到介質層中電場強度。表面叉指或螺旋電極的揚聲器就避免了聲壓級與最低 諧振頻率相互之間的制約，使壓電揚聲器的設計與製備變得更加簡單。 以上所述的實施例，只是本實用新型的幾個較佳的具體實施方式
，本領域的技術 人員可以在所附權利要求的範圍內做出各種修改。
權利要求採用叉指或螺旋電極的壓電揚聲器，其特徵在於，所述壓電揚聲器結構包括振膜(3)，粘結在振膜(3)上的壓電陶瓷片(2)，壓電陶瓷片(2)表面的電極(1)，約束振膜(3)的邊框(5)；電極(1)分為正電極(4a)和負電極(4b)兩部分，且電極(1)為叉指結構排列、叉指螺旋結構排列、圓形叉指螺旋結構排列、多邊形叉指螺旋結構排列。
2. 根據權利要求1所述的採用叉指或螺旋電極的壓電揚聲器，其特徵在於，所述電極 (1)還為圓形或多邊形同心交錯結構排列。
3. 根據權利要求1所述的採用叉指或螺旋電極的壓電揚聲器，其特徵在於，所述壓電 陶瓷片(2)的軸向截面為圓形、橢圓或矩形。
4. 根據權利要求1所述的採用叉指或螺旋電極的壓電揚聲器，其特徵在於，所述電極 (1)粘結於壓電陶瓷片(2)的表面或嵌入壓電陶瓷片(2)中。
5. 根據權利要求1所述的採用叉指或螺旋電極的壓電揚聲器，其特徵在於，所述正電 極(4a)和負電極(4b)位於壓電陶瓷片(2)的同側，或分別位於壓電陶瓷片(2)的兩側，並 在俯視圖下保持交錯排列。
6. 根據權利要求5所述的採用叉指或螺旋電極的壓電揚聲器，其特徵在於，所述正電 極(4a)和負電極(4b)分別位於壓電陶瓷片(2)的兩側的情況時，壓電陶瓷片(2)為絕緣 材料。
7. 根據權利要求1所述的採用叉指或螺旋電極的壓電揚聲器，其特徵在於，所述振膜 (3)僅一面粘結壓電陶瓷片(2)，或雙面均粘結壓電陶瓷片(2)。
8. 根據權利要求1所述的採用叉指或螺旋電極的壓電揚聲器，其特徵在於，所述正電 極(4a)與負電極(4b)之間的距離不大於壓電陶瓷片厚度的兩倍。
專利摘要本實用新型屬於揚聲器技術領域，特別涉及一種採用叉指或螺旋電極的壓電揚聲器。其結構包括振膜，粘結在振膜上的壓電陶瓷片，壓電陶瓷片表面的電極，用來約束振膜的邊框，電極又分為正電極和負電極兩部分；電極為叉指結構排列、叉指螺旋結構排列或圓形、多邊形同心交錯結構排列等交錯排列的方式。叉指或螺旋狀電極結構，使極化方向與振膜平面平行，螺旋電極之間的電場與極化方向一致，即陶瓷變形是利用壓電應變係數d33，而非傳統壓電揚聲器中普遍採用的壓電應變係數d31，在尺寸、材料、電場強度一致的情況下，本實用新型的壓電陶瓷片在振膜平面內的應變是傳統壓電揚聲器相應應變的兩倍以上，振膜平面的振動大，進而產生較大的聲壓級。
文檔編號H04R17/00GK201515490SQ200920246678
公開日2010年6月23日 申請日期2009年10月26日 優先權日2009年10月26日
發明者褚祥誠 申請人:清華大學