一种采用叉指或螺旋电极的压电扬声器

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN2.X

(22)申请日 2009.07.15

(71)申请人 清华大学

地址 100084 北京市100084-82信箱

(72)发明人 褚祥诚

(74)专利代理机构 北京众合诚成知识产权代理有限公司

代理人 张文宝

(51)

H04R17/00

权利要求说明书 说明书 幅图

(10)申请公布号 CN 101877810 A

(43)申请公布日 2010.11.03

(54)发明名称

声器

(57)摘要

本发明属于扬声器技术领域，特别

一种采用叉指或螺旋电极的压电扬

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d

法律状态

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态

权 利 要 求 说 明 书

1.一种采用叉指或螺旋电极的压电扬声器，其结构包括振膜(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)，用来约束振膜(3)的边框(5)，其特

征在于，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所述的一种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所述的一种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所述的一种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所述的一种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所述的一种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所述的一种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所述的一种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。

说 明 书

技术领域

本发明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1g，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，阻抗离散范围有200欧姆，平均声压

级离散范围有10dB。

发明内容

本发明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，用来约束振膜3的边框5，其特征在于，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。

所述电极1还为圆形或多边形同心交错结构排列。

所述压电陶瓷片2的轴向截面为圆形、椭圆或矩形。

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。

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。

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。

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。

所述正电极4a与负电极4b之间的距离小于压电陶瓷片厚度的两倍。

本发明的有益效果为：

(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％，而本发明所述压电扬声器不存在该问题。

附图说明

图1为现有压电扬声器的发声部分结构示意图；

图2为本发明实施例1的等轴侧视图；

图3为本发明实施例2的等轴侧视图；

图4为本发明实施例3的组装示意图；

图5a为本发明实施例4的组装示意图；

图5b为本发明实施例4的陶瓷片及电极的正面视图；

图5c为本发明实施例4的陶瓷片及电极的背面视图；

图6为本发明实施例5的组装示意图；

图7a为本发明实施例6的组装示意图；

图7b为本发明实施例6的陶瓷片及电极的正面视图；

图7c为本发明实施例6的陶瓷片及电极的背面视图；

图8为本发明实施例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

本发明提供了一种采用叉指或螺旋电极的压电扬声器，下面结合附图说明和具体实

施方式对本发明做进一步说明。

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缩运动引

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：x₁＝d₃₁E₃，其中，

x₁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为本发明实施例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1mm，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，

即：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，

x₃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d₃₃＞2d₃₁，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，本发明中压电

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

会使本发明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为本发明实施例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为本发明实施例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1相同。

实施例4

图5a为本发明实施例4的组装示意图；图5b为本发明实施例4的陶瓷片及电极的

正面视图；图5c为本发明实施例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为本发明实施例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为本发明实施例6的组装示意图；图7b为本发明实施例6的陶瓷片及电极的

正面视图；图7c为本发明实施例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1相同。

实施例7

图8为本发明实施例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，只是本发明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。