壓電電聲換能器的製作方法
2023-09-20 05:47:40 2
專利名稱：壓電電聲換能器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用作壓電音響器、壓電蜂鳴器或類似器件的壓電電聲換能器，尤其涉及這樣一種壓電電聲換能器，其中的壓電振動膜設置在殼體內，諧振腔也位於殼體內。
壓電電聲換能器，諸如結構上包括將壓電振動膜置於殼體內的一種壓電音響器目前得到了廣泛的應用。此類壓電電聲換能器中，振動膜插在殼體與蓋體之間並由它們夾持，其中，殼體由合成樹脂製成且其一端開口，蓋體則封閉殼體的開口。振動膜保存和設置在殼體內。由於該殼體可以樹脂模壓而且部件數相對較少，故此類壓電音響器有助於降低生產成本。
然而，由於該壓電振動膜插入殼體與蓋體之間並由它們夾持，故此類壓電音響器存在著聲壓變化較大的問題，這是由於從兩面夾持壓電振動膜的力發生變化而引起的。此外，夾持壓電振動膜的合成樹脂殼體受到壓電振動膜的應力，而由於殼體是合成樹脂製成的，因而減少了該應力。因此，當此類壓電音響器接受長期熱阻試驗時，可檢測到聲壓有較大的變化。
為了解決上述問題，例如，第8-123426號日本待審專利公報披露了一種壓電音響器，其中的壓電振動膜不是夾持在兩面得以支承的。該壓電音響器中，殼體是按這樣一種方式構成的，即將蓋體設置在殼體主體的開口側，殼體主體具有一個帶發聲孔的頂板部分和一個與頂板部分連成一體的圓柱部分。殼體主體的內圓周表面在其高度方向的中間位置形成一個臺階部分，壓電振動膜從下面接觸該臺階部分。壓電振動膜由彈性引線端向上推進。即，壓電振動膜按這樣一種方式支承，其頂面通過引線端的推力與臺階部分加壓接觸，引線端與壓電振動膜的底面接觸。引線端穿通蓋體並由此延伸到殼體外面。
如上所述，在第8-123426號公報中所披露的壓電音響器中，壓電振動膜是按這樣一種方式支承的，即它接觸臺階部分的底面，而引線端從下面接觸壓電振動膜，由此將振動膜朝上推。由於壓電振動膜未插入殼體與其它構件之間並由它們保持，故在平常操作期間其聲壓變化很小，且在長期熱阻試驗中的聲壓變化也很小。
然而，在第8-123426披露的壓電音響器中，壓電振動膜僅僅由臺階部分和引線端的彈力保持，因此，振動膜未得到強有力或充分的支承。由此引起這樣一個問題，即當壓電音響器進行跌落試驗、振動試驗、碰撞試驗或類似試驗時，壓電振動膜可能在殼體內移動，在此情況下，其性能將變得不穩定。通過增加引線端的彈性接觸力可以解決該問題。然而，引線端彈性接觸力的增大將阻礙壓電振動膜的振動，導致聲壓減小。
為了克服上述問題，本發明的較佳實施例提供一種壓電電聲換能器，它在平常操作期間聲壓變化很小，即使在高溫條件下的聲壓變化也很小，而且，其抗碰撞或阻止振動膜因外力而移動的性能優異。
本發明的較佳實施例提供一種壓電電聲換能器，它包括殼體、位於殼體內的壓電振動膜以及限定於殼體內的諧振腔，該諧振腔設置成隨著壓電振動膜的振動而諧振，其中，壓電振動膜和殼體是這樣構成的，即，使其滿足關係式fcav＜fo，其中，fo是壓電振動膜的諧振頻率，fcav是諧振腔的諧振頻率。
根據上述結構，壓電振動膜和殼體如此構成，使得壓電振動膜的諧振頻率fo和諧振腔的諧振頻率fcav滿足關係式fcav＜fo。因此，當驅動頻率置於fcav時，即使聲壓-頻率特性在高溫條件下偏移到低頻側，聲壓也不傾向於降低，且聲壓變化顯著減小。
由此而獲得本發明較佳實施例的獨特和新穎的特徵，亦即實現即使在高溫條件下聲壓變化也很小的一種穩定的壓電電聲換能器。
在上述壓電電聲換能器中，殼體可以包括一個殼體主體，它具有包含至少一個發聲孔的頂板部分以及與頂板部分連成一體的圓柱體部分，在相對頂板部分的一端具有開口和附設在殼體主體以封閉殼體主體之開口的蓋體，並具有一個支承部分，它突出於殼體主體一側，而壓電振動膜的支承使之插入於支承部分與殼體主體之間並被保持。
通常，由於保持振動膜的保持力發生變化，將壓電振動膜插入殼體主體與蓋體支承部分之間並由其保持的這樣一種結構會產生聲壓變化較大的問題。相反，在本發明的較佳實施例中，由於滿足了關係fcav＜fo，故因保持力變化而引起的聲壓變化顯著減小。
在上述壓電電聲換能器中，每個殼體主體和蓋體都較佳地由合成樹脂製成。當每個殼體主體和蓋體均由合成樹脂製成時，就可以廉價生產殼體，從而獲得聲壓變化很小且生產成本顯著減低的壓電電聲換能器。
從以下參照附圖對本發明較佳實施例的描述中，本發明的其它特徵和優點將變得更加明顯。
圖1A和1B分別是根據本發明一個較佳實施例的壓電音響器的平面圖和垂直截面圖；圖2是一個曲線圖，表示該較佳實施例的壓電音響器的聲壓-頻率特性，其中，實線和虛線分別表示初始特性和經受高溫試驗後的特性；圖3是一個曲線圖，表示為了與圖2所示較佳實施例比較而製備的壓電音響器的聲壓-頻率特性，其中，實線和虛線分別表示初始特性以及經受高溫試驗後的特性；圖4是較佳實施例的壓電音響器的一種改進型的垂直截面圖。
參見圖1A和1B，壓電音響器1以這樣一種方式構成，即將基本上為盤形的壓電振動膜3置於殼體2內。殼體2較佳地由殼體主體4和蓋體5組成。
殼體主體4和蓋體5較佳地由合成樹脂模壓製成。殼體主體4有一個頂板部分4a和一個與頂板部分4a連成一體的圓柱體部分4b。圓柱體部分4b的底部開口，蓋體5附設到圓柱體部分4b以封閉該開口部分。
殼體主體4的頂板部分4a內形成一個發聲孔4c。頂板部分4a內也可形成多個發聲孔4c。
圓柱體部分4b的內圓周表面在其高度方向上或垂直尺寸的中間位置上形成臺階部分4d。圓柱體部分4b的開口部分的底部內圓周上形成內突的環形突起4e。
蓋體5具有一個環形支承部分5a，它突向殼體主體4一側。此外，蓋體5形成通孔5b和5c，允許引線端6、7穿通，如圖1B所示。
壓電振動膜3按這樣一種方式構成，即壓電陶瓷板3b粘合到金屬板3a的底面。電極(未圖示)設置在壓電陶瓷板3b的底面上。壓電陶瓷板3b的頂面用導電或絕緣粘合劑或其它合適的接合材料粘接到金屬板3a。電極也可以在壓電陶瓷板3b的頂面上形成。壓電陶瓷板3b可以由合適的壓電陶瓷製成，例如，鋯鈦酸鉛型或其它類似材料。
壓電振動膜3的頂面，即，金屬板3a的頂面與臺階部分4d接觸。壓電振動膜3被如此支承，使之插入臺階部分4d與蓋體5的環形支承部分5a之間並由其保持。亦即，壓電振動膜3被如此支承，通過使蓋體5經由殼體主體4的底部開口塞入殼體主體4，使之插入環形支承部分5a的頂尖與臺階部分4d之間，並由其保持。
蓋體5的環形支承部分5a在底部位置具有外突的安裝凸緣5d。凸緣5d的外徑大於環形突起4e的內徑，後者設置在殼體主體4的開口部分的底部內圓周上。因此，當蓋體5塞人殼體主體4時，蓋體5的安裝凸緣5d在環形突起4e上受力，安裝凸緣5d由此定位於殼體主體4的內部。環形凸緣5d與環形突起4e如此相互嚙合，由此使蓋體5固定到殼體主體4。
至於將蓋體5固定到殼體主體4，上述結構也可結合採用粘合劑，或者，蓋體5也可僅僅用粘合劑粘合固定到殼體主體4。
用以將壓電振動膜3連接到外部系統的引線端6和7被聯接到壓電振動膜3。尤其是，將引線端6連接到壓電振動膜3的金屬板3a，而將引線端7連接到位於壓電陶瓷板3b底面上的電極(未圖示)。引線端6和7通過蓋體5的各個通孔5b和5c延伸到殼體2的外面。
引線端6和7可以由合適的金屬材料，諸如Al或Cr製成。
該較佳實施例的壓電音響器1具有滿足以下公式的特徵fcav＜fo…(1)其中，fo為壓電振動膜3的諧振頻率，fcav為殼體2內諧振腔2a的諧振頻率。由於滿足上述公式(1)，該較佳實施例的壓電音響器1可以顯著減小聲壓的變化。以下將參照圖2和圖3對此加以描述。
通過調節壓電振動膜3的固有諧振頻率、殼體主體4的臺階部分4d與蓋體5的頂面之間的距離A(見圖1)以及蓋體5的頂面與環形支承部分5a頂端之間的尺寸B，可以將壓電振動膜3的諧振頻率fo設置在所需值。通過調節殼體2的諧振空間2a的容積v(即壓電振動膜3的頂面與頂板部分4a之間的空間)、頂板部分4a的厚度以及發聲孔4c的直徑，可以將諧振腔2a的諧振頻率fcav設置在所需值。
在該較佳實施例的壓電音響器1中，較佳地確定頻率fcav和fo以滿足公式(1)。驅動頻率較佳地設置等於fcav。
該較佳實施例中，由於壓電振動膜3插入殼體主體4與蓋體5之間並由其保持，壓電振動膜3的諧振頻率fo與支承的強度，即安裝應力成正比，並由此傾向於變化。另一方面，由於殼體2內限定的諧振腔2a的諧振頻率fcav取決於諧振腔2a的容積V以及聲音在空氣中的傳播速度，故它是穩定的。由此使驅動頻率下的聲壓變化變小。
由於每個殼體主體4和蓋體5均由合成樹脂製成，如果高溫使得應力和蠕變減小，則壓電振動膜3的諧振頻率fo減低。
該較佳實施例中，由於fcav＜fo，在高溫條件下，聲壓-頻率特性從圖2中實線所示的曲線改變為虛線所示的曲線。可見在驅動頻率fcav下聲壓的下降很小。
相反，如果fo＜fcav，在高溫條件下，聲壓-頻率特性則從圖3中實線所示的曲線改變為虛線所示的曲線。因此，位於聲壓峰值之間中點的聲壓下降，在驅動頻率fcav下的聲壓下降變大。
可見，當滿足圖2所示關係fcav＜fo時，甚至當壓電振動膜3插入殼體主體4與蓋體5之間並由其保持時，聲壓變化尤其是高溫條件下聲壓的下降顯著減小。
在壓電音響器1中，引線端5和6通過蓋體5的各個通孔5b和5c延伸到殼體2的外面。圖4示出了對該較佳實施例的一種變換，其中，連接到壓電振動膜3的引線8和9通過在殼體主體4的圓柱體部分4b內形成的通孔4f延伸到殼體主體2的外面。
接下來將描述上述較佳實施例的一個特例。
聲壓測量是在根據本較佳實施例的壓電音響器1的樣品上進行的。驅動頻率置於4.0千赫左右，fo和fcav分別置於4.6千赫和4.0千赫左右。表1示出測量結果連同標準偏差。聲壓測量還在樣品於85℃保持24小時後的壓電音響器1的樣品上進行，表1還示出了這些測量連同標準偏差的結果。
另外，還製作了其中fo和fcav分別置於4.0千赫左右和4.5千赫左右的其它壓電音響器樣品，並作為對比例評估。驅動頻率設置在4.0千赫左右。表1還示出了對這些樣品的測量結果。
表1示出的每個測量值都是20個樣品的平均值。
表1(單位dB)<
從表1可見，在fo＜fcav的比較例壓電音響器中，初始聲壓的標準偏差約為1.5dB那樣大。當樣品在85℃高溫環境下保持24小時以後，該標準偏差提高到約3.4dB。平均值之間的變化約達-8.4dB那樣大。
相反，在較佳實施例的壓電音響器1中，初始聲壓變化以及在高溫環境試驗後的聲壓變化分別約為0.8dB和1.4dB那樣小。此外，由試驗所引起聲壓變化約為-4.6dB那樣小。這些優良的結果得益於滿足關係fo＜fcav這一事實。
儘管以上參照各個較佳實施例專門表示和描述了本發明，然而，應當理解本領域的熟練人員在不脫離本發明精神的情況下還可以對此作出各種形式上和細節上的變換。
權利要求
1．一種壓電電聲換能器，包括殼體；位於殼體內的壓電振動膜；以及限定於殼體內的諧振腔，該諧振腔設置成隨著壓電振動膜的振動而諧振，其特徵在於，壓電振動膜和殼體結構成使之滿足關係式fcav＜fo，其中，fo是壓電振動膜的諧振頻率，fcav是諧振腔的諧振頻率。
2．如權利要求1所述的壓電電聲換能器，其特徵在於所述殼體包括一個殼體主體，它具有包含至少一個發聲孔的頂板部分以及與頂板部分連成一體的圓柱體部分，在相對頂板部分的一端具有開口和附設在殼體主體以封閉殼體主體之開口的蓋體，並具有一個支承部分，它突出於殼體主體一側；所述壓電振動膜如此支承，使之插入於支承部分與殼體主體之間並被保持。
3．如權利要求1所述的壓電電聲換能器，其特徵在於每個殼體主體和蓋體都由合成樹脂製成。
4．如權利要求2所述的壓電電聲換能器，其特徵在於每個殼體主體和蓋體由合成樹脂製成。
5．如權利要求1所述的壓電電聲換能器，其特徵在於進一步包括連接到壓電振動膜並經由殼體的蓋體延伸的引線端。
6．如權利要求1所述的壓電電聲換能器，其特徵在於進一步包括連接到壓電振動膜並經由殼體的殼體主體延伸的引線端。
7．如權利要求1所述的壓電電聲換能器，其特徵在於所述殼體包括其頂板部分具有至少一個發聲孔的殼體主體，位於其垂直中心區域的臺階部分，與頂板部分連成一體並在相對頂板部分一側具有開口的圓柱體部分以及安裝到殼體主體上以封閉殼體主體之開口的蓋體，該蓋體具有一個支承部分，它突出至殼體主體的一側；所述壓電振動膜被支承得使之插入支承部分與臺階部分之間並由其保持。
8．如權利要求7所述的壓電電聲換能器，其特徵在於殼體主體包括環形突起，蓋體的支承部分包括外突的安裝凸緣且其外徑大於所述環形突起的內徑，由此當蓋體插入殼體主體時，所述蓋體的安裝凸緣在環形突起上受力，使得該安裝凸緣定位於所述殼體主體內。
全文摘要
一種壓電電聲換能器,其殼體包括殼體主體和蓋體。壓電振動膜插入殼體主體的臺階部分與蓋體的環形支承部分之間並由其保持。該壓電振動膜和殼體結構成使之滿足關係f
文檔編號G10K9/22GK1215300SQ9811686
公開日1999年4月28日 申請日期1998年7月29日 優先權日1997年8月5日
發明者山本和朗, 齊藤秀峰, 井波浩辛, 山下敏明 申請人:株式會社村田製作所