专利名称：采用叉指或螺旋电极的压电扬声器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于扬声器技术领域，特别涉及一种采用叉指或螺旋电极的压电扬声 器。
背景技术：
扬声器是一种电-力-声换能器，它是音响设备中的重要元件。扬声器在人们平
时的日常生活中广泛被使用，带来了很多的便利，汽车、广播、电视、音箱、手机、MP4、电脑等
电子产品领域中，扬声器的应用几乎随处可见。扬声器的种类很多，按其能量转换原理可分
为电动式(即动圈式)、静电式(即电容式)、电磁式(即舌簧式)、压电式等几种；按频率
范围可分为低音扬声器、中音扬声器、高音扬声器，其中动圈式扬声器应用最为广泛。而压 电扬声器因其小、薄、轻的特点，在当今器件小型化的趋势下，具有极其光明的前景与未来。
目前大多数压电扬声器的振动发声部分的基本原理为电极接通交流电，由于逆
压电效应，压电陶瓷片产生振动，使金属振膜发生弯曲变形，从而产生振动，进而推动空气
振动，产生声压，发出声音。 与传统的动圈扬声器相比，压电扬声器有以下几点优势 1.压电扬声器结构中不需要磁铁，从而也不会存在任何的磁场对周围的电路产生 干扰和影响； 2.压电扬声器的厚度超薄，相比动圈式扬声器，压电扬声器可安装于更为狭小的 空间中，这一点使其在当今市场极具有竞争力； 3.压电扬声器具有轻便的特点，重量一般都小于lg，比传统的动圈扬声器轻 50% -80% ; 4.压电扬声器功耗低，一般小于15mW，是动圈式扬声器消耗功率的1/5-1/2，这大 大延长了器件的电池寿命； 5.压电扬声器的声学设计简单，背面只需很少空间，不需要对于动圈扬声器所必 须的用于提高声压级的空腔。 在相比于传统扬声器具备很大优势的同时，普通压电扬声器也存在一些缺点。例 如，压电扬声器第一阶谐振频率较高，低频特性稍差。这主要跟压电陶瓷的尺寸和约束方式 相关。压电扬声器需要很高的驱动电压，驱动电压的高低取决于所使用的压电材料的类型、 压电层的大小(包括厚度和体积)以及压电层的层数。 在总厚度不变的情况下，采用多层压电陶瓷会使驱动电压相应地降低，这是一种 目前主流的解决方法，但也会带来加工工艺复杂、成本提高的弊端。尤其是，压电扬声器一 旦采用多层陶瓷结构，则生产工艺上必须考虑采用Ag-Pb银钯贵金属内电极，以及压电陶 瓷低温烧结技术，这些目前最先进的陶瓷烧成技术势必增加压电扬声器的生产成本和产品 的后续研发成本。另外，目前多层压电扬声器由于陶瓷介质层与内电极层之间热匹配、电致 疲劳与物理性疲劳、制备工艺复杂等因素，形成了生产中所制备的陶瓷和扬声器电学参数 的离散性较大。如静态电容离散范围有300nF，最低频率的离散范围有300 400Hz，阻抗
3离散范围有200欧姆，平均声压级离散范围有10dB。
发明内容本实用新型的目的是提供一种结构简单、成本低、性能优良的采用叉指或螺旋电
极的压电扬声器，其结构包括振膜，粘结在振膜上的压电陶瓷片，压电陶瓷片表面的电极，
用来约束振膜的边框，电极分为正电极和负电极两部分，且电极为叉指结构排列、叉指螺旋
结构排列、圆形叉指螺旋结构排列、多边形叉指螺旋结构排列。 所述电极还为圆形或多边形同心交错结构排列。 所述压电陶瓷片的轴向截面为圆形、椭圆或矩形。 所述电极粘结于压电陶瓷片的表面，或嵌入压电陶瓷片中。 所述正电极和负电极位于压电陶瓷片的同侧，或分别位于压电陶瓷片的两侧，并 在俯视图下保持交错排列。 所述正电极和负电极分别位于压电陶瓷片的两侧的情况时，压电陶瓷片为绝缘材 料。 所述振膜仅一面粘结压电陶瓷片，或双面均粘结压电陶瓷片。 所述正电极与负电极之间的距离小于压电陶瓷片厚度的两倍。 本实用新型的有益效果为 (1)在保持传统平板扬声器优异性能的基础上，不采用银钯(Ag/Pb)内电极结构， 由于扬声器电极材料不采用贵金属钯，可明显降低器件的制造成本40% 50%，使得未 来所制备的新型压电扬声器的性能接近于多层压电扬声器，而成本却只有多层扬声器的一 半； (2)目前多层压电扬声器采用流延工艺，压电陶瓷介质层与内电极层交替覆盖，形 成多层结构，并将压电陶瓷与内电极在炉子中一次烧成；本专利提出的新型扬声器，其电极 处理工艺与流延工艺分离，陶瓷烧结后，检验合格再进行电极处理，避免了传统技术中因陶 瓷报废而造成内电极浪费的现象； (3)采用激光照射快速电极成型工艺，可以明显提高压电扬声器的成品率、一致性 和生产效率，明显减小陶瓷静态电容和谐振频率的离散性； (4)可实现几个微米尺度电极间距的陶瓷介质层的极化，未来目标性能可超过多 层平板扬声器；另外，多层压电扬声器由于陶瓷与内电极共烧，引起内电极不连续，降低多 层压电陶瓷的总压电常数近40%，而本实用新型所述压电扬声器不存在该问题。
图1为现有压电扬声器的发声部分结构示意图； 图2为本实用新型实施例1的等轴侧视图； 图3为本实用新型实施例2的等轴侧视图； 图4为本实用新型实施例3的组装示意图； 图5a为本实用新型实施例4的组装示意图； 图5b为本实用新型实施例4的陶瓷片及电极的正面视图； 图5c为本实用新型实施例4的陶瓷片及电极的背面视4[0032] 图6为本实用新型实施例5的组装示意图； 图7a为本实用新型实施例6的组装示意图； 图7b为本实用新型实施例6的陶瓷片及电极的正面视图； 图7c为本实用新型实施例6的陶瓷片及电极的背面视图； 图8为本实用新型实施例7的组装示意图。 图中标号 1-电极；2_压电陶瓷片；3_振膜；4a_正电极；4b_负电极； 5-边框；6a-正电极与正极引线连接点；6b_负电极与负极引线连接点； 7a-正极引线；7b_负极引线。
具体实施方式本实用新型提供了一种采用叉指或螺旋电极的压电扬声器，
以下结合附图说明和具体实施方式
对本实用新型做进一步说明。 压电扬声器的金属振膜的振动变形通常是由于压电陶瓷在振膜平面内的伸縮运 动引起的。图1为现有压电扬声器的发声部分结构示意图，压电扬声器由于电极1位于压 电陶瓷片2的上下表面，极化方向亦垂直于振膜3平面，振膜3平面内的应变与电场强度的 关系如下Xl = (131^，其中，Xl为与极化方向垂直的应变(即振膜平面内的应变)，d31为压 电应变系数，E3为极化方向的电场强度。 以下各个实施例中，电极材料均为银等导电金属，正电极4a和负电极4b的间距小
于压电陶瓷片厚度的两倍。 实施例1 图2为本实用新型实施例1的等轴侧视图。电极1为叉指螺旋状结构，电极1分为 正电极4a和负电极4b，电镀于压电陶瓷片2的上表面，压电陶瓷片2粘贴于振膜3上，并用 边框5来约束固定振膜3。由于压电陶瓷片2的厚度小于lmm，可以认为电极产生的电场方 向位于振膜3平面内，压电陶瓷片2的极化方向亦位于振膜3平面内，S卩压电介质层中的 极化方向与电场方向一致。这样，振膜3平面内的应变与电场强度的关系如下x3 = d33E3， 其中，&为与极化方向的应变(即振膜3平面内的应变)，d33为压电应变系数，E3为极化方 向的电场强度。 对于各种常见的压电陶瓷材料，通常满足(133 > 2(131，由此可见，在忽略非线性因
素，极化方向有相同的电场强度的情况下，本实用新型中压电陶瓷片2在振膜3平面方向的
应变是传统压电扬声器相应应变的两倍以上，这必然会使本实用新型产生的声压级较传统
的压电扬声器有很大的提高。 实施例2 图3为本实用新型实施例2的等轴侧视图。本实施例中，正电极4a和负电极4b 为螺线型叉指螺旋结构，振膜3和压电陶瓷片2的轴向截面均为圆形，其余结构与实施例1 相同。 实施例3 图4为本实用新型实施例3的组装示意图。本实施例中，电极1为方形叉指状结 构，正电极4a和负电极4b交错排列，同性电极各部分间分别由正极引线7a和负极引线7b通过正电极与正极引线连接点6a和负电极与负极引线连接点6b导通，其余结构与实施例 l相同。 实施例4 图5a为本实用新型实施例4的组装示意图；图5b为本实用新型实施例4的陶瓷 片及电极的正面视图；图5c为本实用新型实施例4的陶瓷片及电极的背面视图。本实施例 中，正电极4a和负电极4b为方形同心交错结构排列，正电极4a和负电极4b分别位于压电 陶瓷片2的两侧，但在俯视图(视线垂直于陶瓷片表面)下保持交错排列，同性电极各部分 间分别由正极引线7a和负极引线7b通过正电极与正极引线连接点6a和负电极与负极引 线连接点6b导通，其余结构与实施例1相同。 实施例5 图6为本实用新型实施例5的组装示意图。本实施例中，电极1为圆形同心交错 结构排列，正电极4a和负电极4b交错排列，同性电极各部分间分别由正极引线7a和负极 引线7b通过正电极与正极引线连接点6a和负电极与负极引线连接点6b导通，其余结构与 实施例1相同。 实施例6 图7a为本实用新型实施例6的组装示意图；图7b为本实用新型实施例6的陶瓷 片及电极的正面视图；图7c为本实用新型实施例6的陶瓷片及电极的背面视图。本实施 例中，电极1为圆形同心交错结构排列，正电极4a和负电极4b分别位于压电陶瓷片2的两 侧，但在俯视图(视线垂直于陶瓷片表面)下保持交错排列，同性电极各部分间分别由正极 引线7a和负极引线7b通过正电极与正极引线连接点6a和负电极与负极引线连接点6b导
通，其余结构与实施例l相同。 实施例7 图8为本实用新型实施例7的组装示意图。本实施例中，电极1为叉指状结构，正 电极4a和负电极4b交错排列，同性电极各部分间分别由正极引线7a和负极引线7b通过 正电极与正极引线连接点6a和负电极与负极引线连接点6b导通，压电陶瓷片2，振膜3均 为矩形，其余结构与实施例1相同。 扬声器的最低谐振频率用压电陶瓷的厚度和振膜材质及其边界条件调整，而陶瓷 介质中的电场强度和声压级由陶瓷表面的叉指或螺旋电极的形状和电极间距来调整。这样 避免传统压电扬声器设计中陶瓷的厚度和单层厚度，既会影响到压电扬声器的最低谐振频 率，又会影响到介质层中电场强度。表面叉指或螺旋电极的扬声器就避免了声压级与最低 谐振频率相互之间的制约，使压电扬声器的设计与制备变得更加简单。 以上所述的实施例，只是本实用新型的几个较佳的具体实施方式
，本领域的技术 人员可以在所附权利要求的范围内做出各种修改。
权利要求采用叉指或螺旋电极的压电扬声器，其特征在于，所述压电扬声器结构包括振膜(3)，粘结在振膜(3)上的压电陶瓷片(2)，压电陶瓷片(2)表面的电极(1)，约束振膜(3)的边框(5)；电极(1)分为正电极(4a)和负电极(4b)两部分，且电极(1)为叉指结构排列、叉指螺旋结构排列、圆形叉指螺旋结构排列、多边形叉指螺旋结构排列。
2. 根据权利要求1所述的采用叉指或螺旋电极的压电扬声器，其特征在于，所述电极 (1)还为圆形或多边形同心交错结构排列。
3. 根据权利要求1所述的采用叉指或螺旋电极的压电扬声器，其特征在于，所述压电 陶瓷片(2)的轴向截面为圆形、椭圆或矩形。
4. 根据权利要求1所述的采用叉指或螺旋电极的压电扬声器，其特征在于，所述电极 (1)粘结于压电陶瓷片(2)的表面或嵌入压电陶瓷片(2)中。
5. 根据权利要求1所述的采用叉指或螺旋电极的压电扬声器，其特征在于，所述正电 极(4a)和负电极(4b)位于压电陶瓷片(2)的同侧，或分别位于压电陶瓷片(2)的两侧，并 在俯视图下保持交错排列。
6. 根据权利要求5所述的采用叉指或螺旋电极的压电扬声器，其特征在于，所述正电 极(4a)和负电极(4b)分别位于压电陶瓷片(2)的两侧的情况时，压电陶瓷片(2)为绝缘 材料。
7. 根据权利要求1所述的采用叉指或螺旋电极的压电扬声器，其特征在于，所述振膜 (3)仅一面粘结压电陶瓷片(2)，或双面均粘结压电陶瓷片(2)。
8. 根据权利要求1所述的采用叉指或螺旋电极的压电扬声器，其特征在于，所述正电 极(4a)与负电极(4b)之间的距离不大于压电陶瓷片厚度的两倍。
专利摘要本实用新型属于扬声器技术领域，特别涉及一种采用叉指或螺旋电极的压电扬声器。其结构包括振膜，粘结在振膜上的压电陶瓷片，压电陶瓷片表面的电极，用来约束振膜的边框，电极又分为正电极和负电极两部分；电极为叉指结构排列、叉指螺旋结构排列或圆形、多边形同心交错结构排列等交错排列的方式。叉指或螺旋状电极结构，使极化方向与振膜平面平行，螺旋电极之间的电场与极化方向一致，即陶瓷变形是利用压电应变系数d33，而非传统压电扬声器中普遍采用的压电应变系数d31，在尺寸、材料、电场强度一致的情况下，本实用新型的压电陶瓷片在振膜平面内的应变是传统压电扬声器相应应变的两倍以上，振膜平面的振动大，进而产生较大的声压级。
文档编号H04R17/00GK201515490SQ200920246678
公开日2010年6月23日 申请日期2009年10月26日 优先权日2009年10月26日
发明者褚祥诚 申请人:清华大学