压电转换装置的制作方法

专利名称：压电转换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压电转换装置。本发明还涉及一种组装这种压电转换装置的方法。
背景技术：
压电性是当某些材料(例如某些结晶体)在受到机械变形时所产生的电压。相反， 施加到该材料上的电压也将致使该材料产生机械变形。已知在很多用途中使用这种压电原 理，例如压电压力传感器、麦克风、扩音器、致动器和其他转换器。 GB1310853公开了一种压电转换装置的示例，即压电扬声器。GB1310853中的压电 扬声器包括安装在薄的圆形隔膜上的圆形压电元件。该薄的圆形隔膜在其外围处被支承在 支承构件上，并且被夹紧构件紧紧地夹持，其中该支承构件是壳体的一部分。在一个实施例 中，弹性材料制成的多个环形构件分别设置在该薄的隔膜和支承构件和夹紧构件之间，以 阻尼该圆形隔膜。但是，在所述方案中，需要将夹紧构件固定到支承构件的装置，这使扬声 器的构造和组装变得复杂。

发明内容
本发明的目的是至少部分克服这些问题，并且提供一种改进的压电装置，该装置 特别易于组装，并且还可具有良好的阻尼特性。 由以下摘要和描述变得明显的这些和其他目的将通过根据所附权利要求的一种 压电转换装置和组装这种压电转换装置的方法实现。 根据本发明的一个方面，提供一种转换装置，所述转换装置包括声膜；安装在该 声膜上的压电元件；两个相对设置的弹性阻尼元件，声膜的外周部以夹在中间的方式被支 承在所述两个弹性阻尼元件之间；和具有两个表面的夹持件，该两个弹性阻尼元件被夹持 在所述两个表面之间，使得所述两个弹性阻尼元件被压在一起，由此该声膜的外周部被固 定在所述两个弹性阻尼元件之间。 这样，在本发明中，单个构件(即该夹持件)就足以将所述两个弹性阻尼元件限制 或保持在一起，这简化了该转换元件的结构和组装。此外，通过将声膜的外周部固定在所述 两个弹性阻尼元件之间，可以实现良好的声膜阻尼。而且，该夹持件可以是弹性的，以允许 所述两个弹性阻尼元件收縮或膨胀(由于例如环境条件)，以维持该装置的功能性，甚至在 苛刻的条件下。可通过适当地确定该夹持件的尺寸和/或形状和/或选择适当的夹持件材 料而实现所述弹性特性。 虽然所述两个弹性阻尼元件可以进一步朝向声膜/压电元件的中心延伸而使得 所述两个弹性阻尼元件之一也与该压电元件的一部分接合，但优选地，适当地设计所述两 个弹性阻尼元件的形状，以使弹性阻尼元件仅与所述声膜的例如类似杯形或圈形的外周部 接合。 在一个实施例中，该夹持件大致是U形的，其中所述两个表面是通过联接部连接的两个臂。对于该U形夹持件，可容易地获得上述弹性特性，并且所述两个弹性阻尼部可被 容易地安装并接纳在该U形夹持件中。可替换地，该夹持件可具有伸长的0形形状，其中所 述两个表面通过两个联接部连接。 在一个实施例中，该夹持件具有通孔，以允许声膜和波导管之间的声音连通。该波 导管可用于将声音信号引导至转换器以及从该转换器导出，并且该波导管可以是装置的一 部分或者外部波导管。 在一个实施例中，该转换装置还包括用于将转换装置的其余部分连接到外部基体 的至少一个附加弹性阻尼元件。该一个或多个附加弹性阻尼元件可吸收不需要的振动并且 防止它们被传输至该转换装置的其余部分以及从该转换装置的其余部分传输。该附加弹性 阻尼元件可装配在该夹持件的孔中，例如装配在上述通孔中(在这种情况下，该附加弹性 阻尼元件优选地是环形的，以保持声音连通)，或装配在专用孔中。可替换地，该附加弹性阻 尼元件可以附接(例如粘合)到该夹持件的外部。之前的变型是有利的，因为不再需要粘
A坐 n寸o 在一个实施例中，该夹持件由金属制成，该金属可以被选择并将其尺寸设计成实 现弹性特性，并且同时抵抗各种工作环境。可替换地，对于用于更有限的温度范围，该夹持 件可由塑料制成。 在一个实施例中，声膜的外周部包括声膜的振动节点。振动节点是沿非固定膜片 的在膜片振动时振幅最小的点。这可以进一步提高声膜的阻尼。 在一个实施例中，所述两个相对的弹性阻尼元件中的每一个都包括凹槽，两个凹 槽共同形成用于容纳声膜的未被支承的部分的空腔。这样，所述两个相对的弹性阻尼元件 可或多或少地围绕该声膜和压电元件，以防止或降低不需要的振动的传输，同时每个面向 声膜的不具有凹槽的部分可以用于固定该声膜的外周部。在所述实施例中，当使用上述波 导管时，紧邻该夹持件中的通孔的弹性阻尼元件应具有开口，以保持声膜和波导管之间的 声音连通。在可替换实施例中，所述两个相对的弹性阻尼元件可具有环形或圈形形状。
在一个实施例中，该装置还包括与该声膜和/或该压电元件接触的至少一条导电 线，该至少一条导电线在所述装置中被夹在所述弹性阻尼元件之间。这样，不需要焊接等就 可以将一条或多条导电线连接到声膜或压电元件上，且可以削弱一条或多条导电线中的振 动。 根据本发明的另一方面，提供一种组装转换装置的方法，该转换装置包括安装到 声膜上的压电元件，该方法包括以下步骤将声膜放置在所包括的所述两个弹性阻尼元件 之间，使得该声膜的外周部以夹在中间的方式被支承在所述两个弹性阻尼元件之间；和将 所述两个弹性阻尼元件放置在夹持件的两个表面之间，使得所述两个弹性阻尼元件被压在 一起，由此该声膜的外周部被固定在所述两个弹性阻尼元件之间。所述方面具有与本发明 的前述方面相似的优点和相似的特性。


下面，参考示出了本发明的优选实施例的附图更详细地描述本发明的这些和其他 方面。
图1是根据本发明的一个实施例的压电转换装置的剖视侧视 图2是图1的压电转换装置的至少局部分解的透视图； 图3是根据本发明的另一个实施例的压电转换装置的局部剖视侧视图。
具体实施例方式
图1和2示出了根据本发明的一个实施例的转换装置10。转换装置10 —般适于将电信号转换成声音信号，反之亦然，即，它是一种电_声转换器。 转换装置10包括居中地安装在声膜14的一侧上的压电元件12。压电元件12和声膜14优选地为圆形，如图2所示，但还可以是其他形状，例如矩形。压电元件12可以由例如压电晶体制成，而声膜14可以由薄金属制成，该金属例如是黄铜、不锈钢等。除了其它因素之外，材料选择尤其取决于所需的声音特性和所期望的工作环境。压电元件12可通过例如粘合而安装在声膜14上。此外，压电元件12的直径可以是大约14mm，而声膜14的直径可以是大约20mm。 转换装置10还包括两个弹性阻尼元件16a和16b。弹性阻尼元件16a和16b相对设置，并且分别设置在压电元件12和声膜14的两侧上。面向声膜14，该弹性阻尼元件16a禾P 16b分别具有相对的基于圆形的凹槽(circular based recess) 18a和18b，所述凹槽18a和18b形成环形伸出部20a和20b，由此使得弹性阻尼元件16a接触并支承声膜14的外周部22的一侧，并且另一个弹性阻尼元件16b接触并支承声膜14的外周部22的相对侧，而声膜14的中心未被支承的部分24(和压电元件12)容纳在由所述两个基于圆形的凹槽18a和18b形成的空腔26中。因而，声膜14的外周部22变得被夹在弹性阻尼元件16a和16b之间，且空腔26被压电元件12和声膜14隔开。优选地，被支承的外周部22包括声膜14的振动节点(vibration node)。为此，对于20mm的声膜14，被支承的外周部22的外径为20mm并且内径大约为14mm。因此，在所述特定情形中，基于圆形的凹槽18a和18b的内径是14mm。弹性阻尼元件16a和16b应当由适当的材料制成，该适当的材料例如是橡胶等。如果声膜14是非圆形形状(例如矩形形状)，则弹性阻尼元件16a和16b的形状应当相应地设计成与声膜14匹配。 应该认识到上述尺寸是示例性的，并且可以例如根据所期望的共振频率而变化。而且，弹性阻尼元件16a和16b的外径可以不同于声膜14的直径。此外，压电元件12的直径可以不同于被支承的外周部22/基于圆形的凹槽18a和18b的内径。
转换装置10还包括U形夹持件28。 U形夹持件28具有由部分32连接的两个基本平行的、平直臂30a和30b，两个弹性阻尼元件16a和16b(由此，压电元件12和声膜14)被夹持在由臂30a和30b形成的表面之间。U形夹持件28形成为使得当两个弹性阻尼元件16a和16b放置在臂30a和30b之间时，产生一作用力，该作用力在将所述两个弹性阻尼元件16a和16b彼此压在一起的方向上压紧所述两个弹性阻尼元件16a和16b(沿图2中Z方向)，由此声膜14的外周部22变得被牢固地固定在两个弹性阻尼元件16a和16b之间。为此，U形夹持件28的尺寸可以设计成使得两个臂30a和30b之间的初始间隙比包括两个弹性阻尼元件16a和16b、压电元件12以及声膜14的堆叠件的总高度稍窄，从而在两个弹性阻尼元件16a和16b装配在臂30a和30b之间时该两个弹性阻尼元件16a和16b被压紧。此外或补充地，U形夹持件28可从稳定或未偏置状态在一定程度上回弹，使得当更大的堆叠件(两个阻尼元件16a和16b、压电元件12以及声膜14)被推入U形夹持件28时，随着
5U形夹持件28努力向未偏置状态返回，将产生将该堆叠件压在一起的作用力。为此，U形夹持件28优选地由金属制成，但对于某些用途，U形夹持件28可以由塑料制成。可选择地，两个弹性阻尼元件16a和16b中的至少一个可具有外凸缘等(未示出)，该外凸缘等用于将弹性阻尼元件16a和16b相对于彼此横向支承。而且，臂30a和30b的宽度优选地与弹性阻尼元件16a和16b的宽度匹配。更宽的臂30a和30b将保持弹性阻尼元件16a和16b被夹持，但可能会导致转换器10的不适当尺寸。更窄的臂也可以保持弹性阻尼元件16a和16b被夹持，但不能提供足够的旋转支承。 而且，在图1和2中，U形夹持件28包括设置在底臂30a中的通孔34。通孔34基本与压电元件12和声膜14的中心对齐。通孔34适于接纳具有环形(an皿lar)或圈状(ring)的附加弹性阻尼元件36。附加弹性阻尼元件36朝向通孔34内侧装配，并且在图1中向下在夹持件28的外部延伸。附加弹性阻尼元件36用于抵靠底部外基体38弹性支承转换装置，并且用作转换装置10的底部安装点。附加弹性阻尼元件36可例如由与元件16a和16b相同类型的材料制成。附加弹性阻尼元件36和下部元件16a甚至可以作为单一材料块形成。优选地，底部外基体38包括用于接纳附加弹性阻尼元件36的凹槽40，由此不需要粘合等就可以将转换装置10附接在所述点。 此外，与设置在底部弹性阻尼元件16a中并通向由凹槽18a形成的空腔26的一部分的相对应的第二通孔42 —起，具有附加弹性阻尼元件36的通孔34产生通道44，声音信号可通过该通道传播。在通道44的与朝向声膜14的端部相反的端部处设置有波导管46。波导管46可以是转换装置10的一部分或可以是外部波导管。通过通道44，波导管46与声膜14声音连通，S卩，声音信号能够在波导管46和声膜14之间传播。所示的通孔34、附加弹性阻尼元件36、第二通孔42、通道44和波导管46的横截面是圆形的，但也可以是其他形状，例如正方形或矩形。 转换装置10还包括设置在U形夹持件38的顶臂30b中的孔50中的(上)弹性阻尼元件48。这里，上弹性阻尼元件48和孔50的数量是四个，但也可使用不同的数量。上弹性阻尼元件48用于抵靠(上)外部基体52弹性支承转换装置，并且用作转换装置10的顶部安装点。而且，当如图2所示实质上在顶臂30b的每个转角设置一个的时候(也就是方形或矩形模式)，它们用于支承夹持件，以防止围绕X和Y方向倾斜或转动。孔50用于横向固定上弹性阻尼元件48，并且不需要将上弹性阻尼元件48粘合或以其它方式固定到转换装置的其他部分上。上弹性阻尼元件48可以由例如与元件16a和16b相同类型的材料制造，且形成为矩形或圆形块(具有相匹配的孔50)。上弹性阻尼元件48和上元件16b甚至可以作为单一材料块形成。优选地，上基体52包括用于接纳上弹性阻尼元件48的凹槽54，由此不需要粘合或以其它方式将转换装置10附接在这些点上。 在装配本发明的转换装置10的方法中，压电元件12首先被附接到声膜14上。然后，压电元件12和声膜14组件被放置在两个弹性阻尼元件16a和16b之间，使得声膜14的外周部22被夹持在两个弹性阻尼元件16a和16b之间。然后，包括压电元件12、声膜14以及弹性阻尼元件16a和16b的堆叠件被插入到U形夹持件28，使得该堆叠件被夹持(即，紧紧地保持在)U形夹持件28的两个平直臂30a和30b之间，由此声膜14的外周部22被牢固地固定在两个相对的弹性阻尼元件16a和16b之间。之后，可以将转换装置10固定在外部基体38和52上。
可选择地，转换装置IO可由壳体(未示出)围绕，所述壳体朝底部开口但其他均 封闭。当该转换装置浸入到液体中时，该壳体用作潜水钟，从而避免液体进入该转换装置并 使转换装置发生故障。 在转换装置10的示例运行期间，电信号被供应至压电元件12 (电连接和控制器未 在图1-2中示出)。响应该电信号，压电元件12开始振动，该振动传递到压电元件12安装 在其上的声膜14上，并使声膜14发射与所供应的电信号相对应的声音信号。该声音信号 可以通过通道44而导出该转换装置10，并且通过波导管46进一步传播出去。相反，当来 自波导管46的声音信号被声膜14接收时，该声膜14开始振动，该振动传递至安装到声膜 14上的压电元件12，压电元件12响应该声音信号而产生与所接收的声音信号相对应的电 信号。 由于设置固定声膜14的外周部22的弹性阻尼元件16a和16b，因此，在使用期间 阻尼声膜14中的振动，使得可提供短的、独特的信号(输入和输出信号)。也就是说，阻尼 或消除跟随主信号或脉冲的振铃(ringing)或回响(reverberation)。此外，由于夹持件 28提供用于固定声膜14的作用力，因此可以保持弹性阻尼元件38和52的压力相对小，由 此可有效地阻尼转换装置10和外部基体38和52之间不需要的振动的传输。而且，弹性阻 尼元件16a和16b还可降低这种传输。此外，如果由于环境条件(例如温度改变和/或环 境媒介改变)，弹性阻尼元件16a和16b在一定程度上收縮或膨胀，这种改变会通过将声膜 14牢固地固定在弹性阻尼元件16a和16b之间的弹性U形夹持件28 "吸收"，使得转换装 置10的功能和运行不会受到影响。 图3是根据本发明的另一个实施例的压电转换装置的局部剖视侧视图。图3中的 装置10与图1-2中的装置IO相似，但这里两个弹性阻尼元件16a和16b进一步朝声膜-压 电元件14和12的中心延伸，使得弹性阻尼元件16b还接合压电元件12的一部分，例如如 图3所示。换句话说，利用压电元件12作为中间元件，将声膜14的一部分夹在两个弹性阻 尼元件16a和16b之间。 在图3中，还示出了电连接。S卩，图3的装置10包括两个导电线56a和56b。特 别地，导电线56a抵靠在声膜14上，并且利用弹性阻尼元件16b与元件16a和夹持件(图 3未示出)结合而压在那里，使得导电线56a保持在适当位置上，并且在声膜14和导电线 56a之间建立电连接。同样，导电线56b被夹在压电元件12和弹性阻尼元件16b之间的某 个位置上，在该位置上，该弹性阻尼元件16b接合压电元件12，如图3所示。导电线56a和 56b应当不彼此电接触，以避免短路。为此，如图3所示，导电线56a可以放置在阻尼元件 16b和声膜14之间，而另一个导电线56b可以穿过弹性阻尼元件16b设置。导电线56b可 例如被模制到元件16b中。可替换地，元件16b可由几块形成，导线56b可设置在所述几块 中的其中两块之间。例如由橡胶制成的元件16b起电绝缘体的作用。导电线56a和56b优 选地是薄的，且例如可以是平直的箔状导线。导电线56a和56b的凸出端优选地连接到控 制器等(未示出)。而且，压电元件12的顶部可以设置有银涂层等，以改善导电性。
因此，不需要焊接等就可以将导电线56a和56b分别与声膜14和压电元件连接。 不使用焊接是有利的，这是因为在一些环境中焊接可能会受到不利的影响，例如如果焊接 遇到乙醇。而且，弹性阻尼元件16a和16b有利地防止或至少减轻导电线56a和56b中的 振动，该振动例如可由声膜-压电元件14和12的致动而引起，并且该振动会对测量产生不利影响。 本发明的转换装置10的优选用途是在用于测量箱中的液体高度(level)的装置 中，例如在如汽车或卡车或船的交通工具中，或在基本固定的设备中。该液体例如可以是水 或汽油或柴油等。这种测量装置的一个示例在文件W02005038415中公开，该文件的内容通 过参考结合于此。在这种测量装置中，连接到转换装置的波导管(例如波导管46)适于延 伸至液体中。而且，波导管优选包括设置成与转换装置保持已知距离的伸出参考元件。在 工作时，通过本发明的转换装置传输的声音信号被波导管朝向液体表面引导。声音信号的 波长优选地在2-10cm的区间，其对应于大约3， 4-17kHz的频率。该信号的一部分被该参考 元件反射，并且该信号的其他部分被液体表面反射。然后，所述两个反射的声音信号通过波 导管而导回至转换装置，该转换装置在收到每个声音信号后产生电信号。被参考元件反射 的信号的传输时间用于计算当前声音信号速度(声速)，并且由液体水平面反射的信号的 传输时间与当前速度信号一起用于计算箱中的液体高度。该信号之间的时间(特别是在该 两个所接收的声音信号之间的时间)可以是非常短的，由此本发明的转换装置10的短的独 特的信号变得有用。此外，在使用中，在例如汽车或船的交通工具中通常会发生大范围的振 动，但如上所述，本发明的转换装置的支承结构(阻尼元件和夹持件)可至少部分防止这种 振动到达该压电元件和声膜。否则这种振动将引起错误的检测。此外，箱中的液体可能会 引起弹性阻尼部件16a和16b膨胀，但如上所述，这种膨胀可由弹性U形夹持件28吸收。
本领域技术人员将认识到本发明并不局限于上述优选实施例。相反，在所附权利 要求的范围内，可以作出许多改进和变形，就像在上述概要和描述中所述的那样。
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权利要求
一种转换装置(10)，所述转换装置包括声膜(14)；安装在所述声膜上的压电元件(12)；两个相对设置的弹性阻尼元件(16a，16b)，所述声膜的外周部(22)被以夹在中间的方式支承在所述两个相对设置的弹性阻尼元件之间；和具有两个表面(30a，30b)的夹持件(28)，所述两个弹性阻尼元件被夹持在所述两个表面之间，使得所述两个弹性阻尼元件被压在一起，由此所述声膜的所述外周部被固定在所述两个弹性阻尼元件之间。
2. 如权利要求1所述的转换装置，其特征在于，所述夹持件大致是U形的。
3. 如权利要求1或2所述的转换装置，其特征在于，所述夹持件具有通孔(34)，以允许 所述声膜和波导管(46)之间的声音连通。
4. 如前述任一项权利要求所述的转换装置，其特征在于，所述转换装置还包括用于将 所述转换装置的其余部分连接到外部基体(38,52)上的至少一个附加弹性阻尼元件(36， 48)。
5. 如权利要求4所述的转换装置，其特征在于，所述至少一个附加弹性阻尼元件装配 在所述夹持件中的至少一个孔(34,50)中。
6. 如前述任一项权利要求所述的转换装置，其特征在于，所述夹持件由金属制成。
7. 如前述任一项权利要求所述的转换装置，其特征在于，所述声膜的所述外周部包括 所述声膜的振动节点。
8. 如前述任一项权利要求所述的转换装置，其特征在于，所述两个相对设置的弹性阻 尼元件中的每一个都包括凹槽(18a，18b)，所述两个凹槽共同形成用于容纳所述声膜的未 被支承的部分(24)的空腔(26)。
9. 如前述任一项权利要求所述的转换装置，其特征在于，所述转换装置还包括与所述 声膜和/或所述压电元件接触的至少一条导电线(56a，56b)，所述至少一条导电线在所述 装置中被夹在所述弹性阻尼元件之间。
10. —种组装转换装置(10)的方法，所述转换装置包括安装到声膜(14)上的压电元件 (12)，所述方法包括以下步骤将所述声膜设置在所包括的两个弹性阻尼元件(16a，16b)之间，使得所述声膜的外周 部(20)以夹在中间的方式被支承在所述两个弹性阻尼元件之间；禾口将所述两个弹性阻尼元件放置在夹持件(28)的两个表面(30a，30b)之间，使得所述两 个弹性阻尼元件被压在一起，由此，所述声膜的所述外周部被固定在所述两个弹性阻尼元 件之间。
全文摘要
本发明涉及一种转换器装置(10)，该转换装置包括声膜(14)；安装在该声膜上的压电元件(12)；两个相对设置的弹性阻尼元件(16a，16b)，声膜的外周部(22)以夹在中间的方式被支承在所述两个弹性阻尼元件之间；和具有两个表面(30a，30b)的夹持件(28)，所述两个弹性阻尼元件被夹持在所述两个表面之间，使得所述两个弹性阻尼元件被压在一起，由此声膜的外周部被固定在所述两个弹性阻尼元件之间。本发明还涉及一种组装这种转换装置的方法。
文档编号G10K9/122GK101785047SQ200880100823
公开日2010年7月21日 申请日期2008年5月30日 优先权日2007年6月1日
发明者J·博斯特伦 申请人:艾克森塞股份公司