專利名稱：使用隔膜的電聲換能器以及用于制造隔膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用由可變形電致伸縮聚合物制成的隔膜的電聲換能器(例如揚(yáng)聲器)以及一種用于制造在電聲換能器中使用的隔膜的方法。
背景技術(shù)：
已經(jīng)提出了具有隔膜(diaphragm)和電極層的電聲換能器(electroacoustic transducer)，由直流偏置電壓(biased voltage)偏置的音頻信號(hào)電壓橫過該電極層施加，所述電極層布置在隔膜的前表面和后表面上。電聲換能器利用在隔膜前表面和后表面的氣壓差來形成凹形或凸形隔膜，這樣，它能夠?qū)⒏裟ぴ谄浔砻娣较蛏系娜魏巫冃无D(zhuǎn)變成沿隔膜厚度方向的振動(dòng)，從而發(fā)出音頻信號(hào)。例如，日本專利申請(qǐng)No.S55-73199公開了這樣的電聲換能器，其中使用由作為壓電聚合物的聚偏氟乙烯薄膜制成的隔膜。而且，國際申請(qǐng)No.PCT/US98/02311(國際公開No.WO98/3529)公開了一種聲音促動(dòng)器，其中使用由彈性體電介質(zhì)聚合物制成的隔膜。

發(fā)明內(nèi)容
為了使用在上述文獻(xiàn)中公開的隔膜來作為用于發(fā)出音頻信號(hào)的高效隔膜，隔膜的前表面和后表面的氣壓差非常重要。不過，上述文獻(xiàn)并沒有公開隔膜的形狀或者隔膜的前表面和后表面的氣壓來形成隔膜。而且，當(dāng)隔膜在不合適的氣壓下驅(qū)動(dòng)時(shí)，它不能高效發(fā)出音頻信號(hào)。
因此希望提供一種電聲換能器，該電聲換能器使用能夠高效發(fā)出音頻信號(hào)的隔膜。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，提供了一種電聲換能器。該電聲換能器有杯形腔室；隔膜，該隔膜由可變形電致伸縮聚合物制成，該隔膜安裝在腔室的開口上；第一和第二自適應(yīng)電極層，該第一和第二自適應(yīng)電極層形成于隔膜的前表面和后表面上，由直流偏置電壓偏置的音頻信號(hào)電壓跨過所述電極層施加。第一和第二自適應(yīng)電極層的形狀可根據(jù)隔膜的形狀變化來進(jìn)行調(diào)節(jié)。隔膜形成為使得隔膜的前表面和后表面的氣壓差最大，這樣，隔膜能夠形成凹形或凸形。
在本發(fā)明實(shí)施例中，由可變形電致伸縮聚合物制成的隔膜安裝在杯形腔室的開口上。形狀可根據(jù)隔膜的形狀變化而進(jìn)行調(diào)節(jié)的第一和第二自適應(yīng)電極層形成于隔膜的前表面和后表面上。該隔膜形成為使得隔膜的前表面和后表面的氣壓差最大，這樣，隔膜能夠形成凹形或凸形。當(dāng)形成隔膜時(shí)，氣體供給腔室中或者氣體從腔室中排出。當(dāng)在腔室內(nèi)部和外部的氣壓差指示為最大值時(shí)，停止將氣體供給腔室中或停止將氣體從腔室中排出。
由直流偏置電壓偏置的音頻信號(hào)電壓橫過第一和第二自適應(yīng)電極層來施加。這使得隔膜能夠?qū)⒀厮砻娣较虻娜魏巫冃无D(zhuǎn)變成沿它的厚度方向(與音頻信號(hào)相符)的振動(dòng)，從而從隔膜發(fā)出音頻信號(hào)。這時(shí)，因?yàn)楦裟ば纬蔀槭沟酶裟で氨砻婧秃蟊砻娴臍鈮翰钭畲螅瑥亩顾軌蛐纬砂夹位蛲剐?，因此升高了能夠再現(xiàn)的最大聲壓水平，從而使隔膜能夠高效發(fā)出音頻信號(hào)。
因此，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，由可變形電致伸縮聚合物制成的隔膜(該隔膜安裝在杯形腔室的開口上)形成為使得隔膜前表面和后表面的氣壓差最大，這樣，隔膜能夠形成凹形或凸形，從而使隔膜能夠高效發(fā)出音頻信號(hào)。
本說明書的結(jié)束部分特別指出和直接要求了本發(fā)明的主題。不過，通過閱讀說明書的其余部分并參考附圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員將更好地理解本發(fā)明的機(jī)構(gòu)和工作方法以及本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和目標(biāo)，附圖中，相同參考標(biāo)號(hào)表示相同元件。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的電聲換能器的透視圖，用于表示它的結(jié)構(gòu)；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的電聲換能器的剖視圖，用于表示它的結(jié)構(gòu)；圖3是電聲換能器的透視圖，用于表示在它沒有形成之前的隔膜初始狀態(tài)；圖4是電聲換能器的剖視圖，用于表示在它沒有形成之前的隔膜初始狀態(tài)；圖5是用于表示當(dāng)空氣供給腔室內(nèi)時(shí)隔膜前表面和后表面的氣壓差的測量實(shí)例的曲線圖；圖6是用于表示電聲換能器中的驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)的電路圖；以及圖7是用于表示在直流偏置電壓電平和在驅(qū)動(dòng)電路中的放大音頻信號(hào)之間的關(guān)系的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參考附圖介紹本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的電聲換能器。圖1表示了本發(fā)明實(shí)施例的電聲換能器100的結(jié)構(gòu)。圖2是它的剖視圖。
在電聲換能器100中，隔膜102安裝在杯形腔室101的開口端101a上。這時(shí)，環(huán)形保持器103將隔膜102的端部保持在杯形腔室101的開口端101a上。因此，將隔膜102保持在杯形腔室101的開口端101a上能夠在腔室101內(nèi)形成任意封閉空間。
隔膜102由可變形電致伸縮聚合物制成。對(duì)于可變形電致伸縮聚合物，可以使用由3M制造的丙烯酸系彈性體VHB 4910。應(yīng)當(dāng)知道，隔膜102的端部可以通過任意粘接劑而粘附在杯形腔室101的開口端101a上。腔室101和保持器103由非導(dǎo)電材料制成，例如合成樹脂。
自適應(yīng)電極層104F和自適應(yīng)電極層104R分別施加和形成于隔膜102的前表面和后表面上。由直流偏置電壓偏置的音頻信號(hào)電壓橫過這些自適應(yīng)電極層104F、104R來施加。這些自適應(yīng)電極層104F、104R分別稱為電極層，它們的形狀可調(diào)節(jié)，以便改變隔膜102的形狀。對(duì)于這些自適應(yīng)電極層104F、104R，例如可以使用由SHINETSUCHEMICAL KOGYO K.K.制造的導(dǎo)電硅RTV橡膠X-31-2060。
該隔膜102形成為使得隔膜102的前表面和后表面的氣壓差最大，因此隔膜可以形成凸形。
下面將介紹隔膜102的形成。應(yīng)當(dāng)知道，口105布置在腔室101側(cè)壁的某位置處，以便將氣體供給腔室101中或從腔室101中排出氣體?？?06還布置在腔室101側(cè)壁的另一位置處，以便測量腔室101內(nèi)部的氣壓。這些口105、106分別由金屬管制成，并提供有開/關(guān)裝置(龍頭機(jī)構(gòu))105a、106a。
測量裝置(未示出)安裝在口106上，以便通過使開/關(guān)裝置106a設(shè)置在它的打開位置來測量氣壓。這是因?yàn)樽罱K獲得腔室101內(nèi)部和外部的氣壓差來測量腔室101內(nèi)部的氣壓。對(duì)于測量裝置，例如能夠安裝公知的水壓計(jì)，以便很容易獲得氣壓差。
未示出的氣體供給裝置(例如空氣壓縮機(jī))安裝在口105上，以便通過使開/關(guān)裝置105a設(shè)置在它的打開位置來將氣體供給腔室101中。恰好在氣體供給腔室101內(nèi)之前的情況下，在腔室101內(nèi)部和外部之間沒有氣壓差，從而使得隔膜102扁平，作為它的初始狀態(tài)。
圖3是電聲換能器100的透視圖，用于表示隔膜102的初始狀態(tài)。圖4是電聲換能器100的剖視圖，用于表示隔膜102的初始狀態(tài)。應(yīng)當(dāng)知道，圖3、4表示了當(dāng)開/關(guān)裝置105a、106a分別設(shè)置在它們的打開位置時(shí)的狀態(tài)。另一方面，圖1、2表示了當(dāng)開/關(guān)裝置105a、106a分別設(shè)置在它們的關(guān)閉位置時(shí)的狀態(tài)。
在初始狀態(tài)，例如空氣壓縮機(jī)將氣體(例如空氣)供給腔室101中。腔室101中的氣壓逐漸增加，且隔膜102膨脹，從而使它變成凸形。當(dāng)腔室內(nèi)部和外部的氣壓差表示為最大值時(shí)，空氣壓縮機(jī)停止向腔室101內(nèi)供給空氣。因此，隔膜102形成為使得隔膜102前表面和后表面的氣壓差最大，這樣，它能夠變成凸形。
應(yīng)當(dāng)知道，當(dāng)隔膜102的前表面和后表面的氣壓差表示為最大值時(shí)，口105、106的開/關(guān)裝置105a、106a分別關(guān)閉(見圖1和2)，從而保持隔膜102的形成形狀。
圖5表示了當(dāng)空氣供給腔室101內(nèi)時(shí)隔膜102的前表面和后表面的氣壓差測量實(shí)例。應(yīng)當(dāng)知道，對(duì)于隔膜102，在本測量實(shí)例中使用厚度為1mm的、由3M制造的上述丙烯酸系彈性體VHB 4910。圖5中的垂直軸線為氣壓差(hPa)，而水平軸線為隔膜102在充氣時(shí)的高度H與腔室101的直徑D之間的比例(見圖2)。
由該測量實(shí)例清楚可見，氣壓差隨著隔膜102從它的初始狀態(tài)膨脹至具有最大氣壓差的點(diǎn)而增加，但是隨后氣壓差減小。在該測量實(shí)例中，當(dāng)H/D為0.5時(shí)，氣壓差表示為20hPa，這是最大氣壓差。
如上所述，由直流偏置電壓偏置的音頻信號(hào)電壓橫過這些自適應(yīng)電極層104F、104R施加，這些自適應(yīng)電極層104F、104R分別形成于隔膜102的前表面和后表面上。
用于構(gòu)成端子(音頻信號(hào)電壓施加在該端子上)的金屬端子板107布置在保持器103的一部分上。該端子板107通過導(dǎo)電膠108而與形成于隔膜102前表面上的自適應(yīng)電極層104F電連接。而且，口105通過導(dǎo)電膠109而與形成于隔膜102后表面上的自適應(yīng)電極層104R電連接。該口105用作施加音頻信號(hào)電壓的端子。
由直流偏置電壓偏置的上述音頻信號(hào)電壓橫過端子板107和口105來施加，因此音頻信號(hào)電壓能夠橫過這些自適應(yīng)電極層104F、104R來施加。
圖6表示了在電聲換能器100中的驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)。升壓變壓器112的初級(jí)線圈112a接收來自音頻信號(hào)源111的音頻信號(hào)Sa。這使得升壓變壓器112的次級(jí)線圈112b獲得增大的音頻信號(hào)Sa′。升壓變壓器112的次級(jí)線圈112b的一端與接地的自適應(yīng)電極層104R直接連接。升壓變壓器112的次級(jí)線圈112b的另一端通過用于截?cái)嘀绷麟姷碾娙萜?13而與自適應(yīng)電極層104F連接。
高電壓產(chǎn)生電路114產(chǎn)生直流偏置高電壓VB。高電壓產(chǎn)生電路114的負(fù)壓側(cè)與自適應(yīng)電極層104R連接，它的正壓側(cè)與自適應(yīng)電極層104F連接。這使得由直流偏置高電壓VB偏置的增大音頻信號(hào)Sa′橫過這些自適應(yīng)電極層104F、104R來施加。
圖7表示了在直流偏置高電壓VB電平和增大音頻信號(hào)Sa′之間的關(guān)系。直流偏置高電壓VB設(shè)置成使它能夠超過增大音頻信號(hào)Sa′的峰峰值Vp-p的至少一半。例如，當(dāng)增大的音頻信號(hào)Sa′的峰峰值Vp-p為4kV時(shí)，直流偏置高電壓VB設(shè)置為2kV。
下面將介紹圖1和2所示的電聲換能器100的工作。由直流偏置高電壓VB偏置的增大音頻信號(hào)Sa′通過端子板107和口105而橫過這些自適應(yīng)電極層施加，這些自適應(yīng)電極層分別形成于隔膜102的前表面和后表面上。
隔膜102由如上述的可變形電致伸縮聚合物制成，這樣，當(dāng)電壓橫過這些自適應(yīng)電極層104F、104R施加時(shí)，在這些自適應(yīng)電極層104F、104R之間產(chǎn)生吸引力(庫倫吸引力)，從而減小隔膜102的厚度，以便沿它的表面方向獲得增大面積。
因?yàn)槿缟纤霎?dāng)由直流偏置高電壓VB偏置的增大音頻信號(hào)Sa′橫過這些自適應(yīng)電極層104F、104R施加時(shí)，隔膜102獲得沿它的表面方向的增大面積，因此，隔膜102根據(jù)增大音頻信號(hào)Sa′水平而變化。
因?yàn)檫@時(shí)，隔膜102形成為產(chǎn)生在隔膜102的前表面和后表面之間的氣壓差，從而使隔膜102能夠形成凸形，如上所述，因此，隔膜102沿它的表面方向變形，從而根據(jù)氣壓差來改變在由腔室101和隔膜102構(gòu)成的封閉容器中的立方容積。這使得隔膜102根據(jù)增大音頻信號(hào)Sa′水平的變化而沿它的厚度方向振動(dòng)。因此，增大音頻信號(hào)Sa′的電能轉(zhuǎn)變成聲能，從而使隔膜102能夠發(fā)出音頻信號(hào)。
根據(jù)圖1和2中所示的上述電聲換能器100，隔膜102形成為使得隔膜前表面和后表面的氣壓差最大，這樣，它能夠形成凸形。這能夠升高可再現(xiàn)的最大聲壓水平，從而使得隔膜能夠高效發(fā)出音頻信號(hào)。這是因?yàn)槟軌蛟佻F(xiàn)的最大聲壓水平與腔室101內(nèi)部和外部之間的氣壓差成比例。
假定音頻信號(hào)向所有方向發(fā)出，因此能夠在離聲源一米的范圍內(nèi)再現(xiàn)的最大聲壓水平SPLmax估計(jì)為以下公式(1)。
SPLmax＝20Log10(氣壓差/√2/4π/0.00002) (1)該最大聲壓水平SPLmax對(duì)應(yīng)于當(dāng)隔膜102通過音頻信號(hào)和直流偏置電壓膨脹至最大值，從而使得氣壓差變成零時(shí)的聲壓。在公式(1)中，氣壓差除以√2，以便獲得氣壓差的虛擬值；該虛擬值除以半徑為1m的球的表面積(在本實(shí)施例中r＝1)，以便獲得單位面積壓力；該單位面積壓力除以參考?jí)毫?.00002(等于0db的聲壓水平)，以便獲得參考?jí)毫Φ姆糯?；且使用該放大使得能夠獲得最大聲壓水平SPLmax。應(yīng)當(dāng)知道，當(dāng)氣壓差為20hPa時(shí)(如圖5中所示的測量實(shí)例)，最大聲壓水平SPLmax為135dB。
盡管在上述實(shí)施例中，隔膜102形成為使得隔膜102的前表面和后表面的氣壓差最大，從而使它能夠形成凸形，不過隔膜102也能夠形成為使得隔膜102的前表面和后表面的氣壓差最大，從而使它能夠形成凹形。
這時(shí)，在初始狀態(tài)(見圖3和4)，空氣通過口105而從腔室101中排出。在腔室101中的氣壓逐漸減小，且隔膜102下陷，從而使它變成凹形。當(dāng)腔室內(nèi)部和外部的氣壓差表示為最大值時(shí)，停止從腔室101中排出空氣。
因此，隔膜102形成為使得隔膜102的前表面和后表面的氣壓差最大，從而使它能夠變成凹形。當(dāng)隔膜102形成凹形時(shí)，電聲換能器100能夠有與在其中隔膜102形成凸形的電聲換能器相同的良好效果。
盡管在上述實(shí)施例中，口105、106分別被提供有開/關(guān)裝置(龍頭機(jī)構(gòu))105a、106a，不過各口105、106也可以不被提供開/關(guān)裝置。這時(shí)，各口105、106的開口通過任意密封化合物來密封，或者在隔膜102的前表面和后表面的氣壓差表示為最大值的狀態(tài)下進(jìn)行熔合，從而保持它的封閉狀態(tài)。
盡管在上述實(shí)施例中，腔室101被提供有用于測量腔室101內(nèi)的氣壓的口，且口106例如被提供有壓力計(jì)(manometer)以便測量在腔室101內(nèi)部和外部之間的氣壓差，從而當(dāng)氣壓差表示為最大值時(shí)隔膜102能夠形成凹形或凸形，不過本發(fā)明并不局限于此。預(yù)先確定當(dāng)氣壓差保持為最大值時(shí)隔膜102的凹形形狀或凸形形狀，然后可根據(jù)該形狀形成隔膜102。這時(shí)，腔室101的口能夠省略。
本發(fā)明用于使用由可變形電致伸縮聚合物制成的隔膜的電聲換能器，例如揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求和其它因素來進(jìn)行各種改變、組合、再組合和替換，只要它們在附加權(quán)利要求或它們的等效物的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電聲換能器，包括杯形腔室；隔膜，該隔膜由可變形電致伸縮聚合物制成，所述隔膜安裝在腔室的開口上；以及第一和第二自適應(yīng)電極層，所述第一和第二自適應(yīng)電極層形成于隔膜的前表面和后表面上，由直流偏置電壓偏置的音頻信號(hào)電壓跨過所述第一和第二自適應(yīng)電極層施加，所述第一和第二自適應(yīng)電極層的形狀可根據(jù)隔膜的形狀變化來進(jìn)行調(diào)節(jié)；其中，隔膜形成為使得隔膜的前表面和后表面的氣壓差最大，從而形成它的凹形形狀和凸形形狀中的任意一個(gè)。
2.一種用于制造在電聲換能器中使用的隔膜的方法，該電聲換能器包括杯形腔室；隔膜，該隔膜由可變形電致伸縮聚合物制成，所述隔膜安裝在腔室的開口上；以及第一和第二自適應(yīng)電極層，所述第一和第二自適應(yīng)電極層形成于隔膜的前表面和后表面上，由直流偏置電壓偏置的音頻信號(hào)電壓跨過所述第一和第二自適應(yīng)電極層施加，所述第一和第二自適應(yīng)電極層的形狀可根據(jù)隔膜的形狀變化來進(jìn)行調(diào)節(jié)；所述方法包括以下步驟執(zhí)行將氣體供給腔室內(nèi)和從腔室內(nèi)排出氣體中的任意一個(gè)；以及當(dāng)腔室內(nèi)部和外部的氣壓差指示最大時(shí)，停止執(zhí)行將氣體供給腔室內(nèi)和從腔室內(nèi)排出氣體中的任意一個(gè)。
全文摘要
一種電聲換能器有杯形腔室和由可變形電致伸縮聚合物制成的隔膜，該隔膜安裝在腔室的開口上。電聲換能器還有第一和第二自適應(yīng)電極層，該第一和第二自適應(yīng)電極層形成于隔膜的前表面和后表面上，由直流偏置電壓偏置的音頻信號(hào)電壓橫過所述電極層施加。第一和第二自適應(yīng)電極層的形狀可根據(jù)隔膜的形狀變化來進(jìn)行調(diào)節(jié)。隔膜形成為使得隔膜的前表面和后表面的氣壓差最大，這樣，從而形成它的凹形形狀和凸形形狀中的任意一個(gè)。
文檔編號(hào)H04R31/00GK1897764SQ20061010637
公開日2007年1月17日 申請(qǐng)日期2006年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月15日
發(fā)明者大橋芳雄, 岸上純, 瓜生勝 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社