貼片壓電式蜂鳴器結構可靠性研究與設計

　　項永金，戴銀燕（格力電器（合肥）有限公司，合肥?230088）

　　摘?要：商用風管機空調用控制器在實際應用過程及售后反饋蜂鳴器發聲不良、工作失效問題突出， 通過對大量失效蜂鳴器器件分析及結構設計進行研究，發現蜂鳴器結構設計存在缺陷，該缺陷主要集中在引腳與彈片兩個部分，主要質量投訴問題有3個，引腳與彈片接觸不良產生聲音嘶啞、無聲音、彈片陶瓷層劃傷電容量低或短路失效、引腳變形極間短路失效，通過重新設計蜂鳴器結構第二引腳的折彎夾角β=145°+凸點結構，解決了蜂鳴器工作可靠性低問題。

　　關鍵詞：壓電式蜂鳴器；折彎角度；凸點結構；結構可靠性

　　0 引言

　　蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，他廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電話機、家用電器等電子產品中作發聲器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場，振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發聲。 

　　壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構成，當接通電源后（1.5~15 V直流工作電壓），多諧振蕩器起振,輸出（1.5～2.5）kHz的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發聲。蜂鳴器工作穩定性及可靠性直接影響用戶體驗感。因此研究蜂鳴器設計及工作可靠性 ，提高消費者對品牌的滿意度具有十分重要的意義。

　　1 事件背景

　　壓電式蜂鳴器是一種電聲轉換器件，將壓電材料粘貼在金屬片上，當壓電材料和金屬片兩端施加上一個電壓后，因為壓電效應，蜂鳴片就會產生機械變形而發出聲響；其諧振頻率較高，一般為（2000~4000）kHz，而與蜂鳴片接觸的引腳不管是圓形還是扁形，末端都是尖的，高頻振動下易與蜂鳴片表面產生刮擦，兩個引腳尾部增加凸點結構后，一方面改變現有的接觸方式，使更加平和、穩定，另外其發出的聲音效果也相對減少了尖銳的部分。

　　與金屬彈片連接的引腳，其彎折角度控制不當的情況下，引腳易搭接在蜂鳴片的邊緣上而與金屬彈片接觸不良，導致上電后無聲音或聲音不穩定，適當地延長彎折位置同時縮小彎折角度，能增加與蜂鳴片之間的間距，減少兩者之間接觸的質量隱患；控制器過程、售后大比例主板失效嚴重影響空調整體產品質量及用戶實際體驗效果。問題急需進行分析研究解決。

　　2 壓電式蜂鳴器失效原因及失效機理分析

　　壓電式蜂鳴器是一種電聲轉換器件，如圖1所示，壓電材料1粘貼在金屬彈片2上，第一引腳3、第二引腳4分別與壓電材料1、金屬彈片2連接，當引腳3、引腳4施加電壓后，因為壓電效應，蜂鳴片就會產生機械變形而發出聲響。對于引腳4為了與金屬彈片2保持良好接觸，同時保證與壓電材料1保持一定距離，引腳4需要做折彎處理，折彎夾角如圖1所述的α，且α相對較大為158°，在此情況下，引腳4與壓電材料1之間的最小距離L偏小。

　　在進行蜂鳴器裝配時或使用過程中，由于受力產生的變形，極易導致引腳4與壓電材料1接觸，彈片與引腳接觸不良，進而導致上電后蜂鳴器發聲不穩定（如圖2）。存在質量隱患；另外，由于引腳末端與壓電材料1、金屬彈片2表面直接接觸，而引腳末端極為尖銳，在高頻振動的作用下易刮傷壓電材料1、金屬彈片2表面，導致蜂鳴器發聲較為尖銳、不平穩。

　　壓電蜂鳴器是將高壓極壓化后的壓電陶瓷片粘貼于振動金屬片上。壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。在陶瓷片的兩面鍍上銀電極，經極化和老化處理后，再與黃銅片或不銹鋼片粘在一起。當加入交流電壓后,會因為壓電效應,而產生機械變形伸展及收縮，利用此特性使金屬片振動而發出聲響。

　　由于引腳末端與壓電材料1、金屬彈片2表面直接接觸，而引腳末端極為尖銳，在生產過程操作不當或高頻振動的作用下易刮傷壓電材料 ，彈片實際是金屬彈片表面印刷一層陶瓷層形成兩個電極，陶瓷層非常薄、致密度很高陶瓷層被損傷容易導致兩極短路蜂鳴器發聲不穩定或是直接短路失效。

　　3 蜂鳴器結構可靠性提升解決方案

　　與金屬彈片連接的引腳，其彎折角度控制不當的情況下，引腳易搭接在蜂鳴片的邊緣上而與金屬彈片接觸不良，導致上電后無聲音或聲音不穩定，適當地延長彎折位置同時縮小彎折角度，能增加與蜂鳴片之間的間距，減少兩者之間接觸的質量隱患。

　　3.1 解決的技術問題

　　通過對引腳結構的調整，改變蜂鳴器引腳的彎折角度，減小如下A點的彎折角度（控制在130°~150°），增加與蜂鳴片之間的間距,具體設計更改點前后對比如下圖4、5。對蜂鳴器內部兩個引腳的末端增加凸點結構（凸點直徑根據引腳寬度而定），增加接觸面積同時避免頻繁振動后對蜂鳴彈片表面的劃傷；

　　3.2 具體的可靠性解決方案

　　為了解決上述質量問題，對壓電式蜂鳴器結構重新設計優化，包括壓電材料、金屬彈片、第4引腳，所述壓電材料與所述金屬彈片連接，所述第4引腳的一端與所述金屬彈片連接并形成第二觸點，所述第4引腳包括向遠離所述壓電材料的方向折彎的折彎部。分別設計三種不同角度方案，折彎部的折彎夾角為130°≤β＜158°。引腳4的折彎夾角130°≤β≤150°。第二引腳的折彎夾角β=145°通過實驗方案驗證引腳4的折彎夾角β=145°引腳與彈片直接的有效間距增加，可以有效解決極間短路問題。

　　可靠性解決方案二

　　在3、4腳與彈片接觸部分增加凸點結構（如圖6）與合理的引腳角4度配合可以有效解決彈片陶瓷層劃傷、與彈片接觸不良（凸點與彈片過渡配合無論外部機械振動或是受熱應力形變凸點與彈片都可以可靠性接觸不脫離）。

　　4 整改效果評估及應用效果驗證

　　通過對蜂鳴器售后失效品大量分析及結構進行深入研究后設計兩種結構方案，對彈片與引腳接觸不良、極間短路問題重新對物料結構設計優化折彎部折彎角度，增加引腳4與彈片之間間距，對引腳與彈片接觸不良問題在與彈片接觸部分增加凸點結構，并對新設計結構物料做相關實驗模擬器件在實際生產應用中可能存在影響因素，安排器件依據國標標準要求振動試驗、整機跌落試驗。實驗方案如表1、2。

　　4.1 振動實驗標準

　　在頻率為（10～55）Hz，振幅為0.35 mm，每軸線掃頻循環次數為10次的條件下，在 X Y Z 、 、 三個方向各做2 h振動。試驗后蜂鳴器的功能、性能指標應符合要求。振動試驗前后，容量、音量變化范圍應符合圖紙要求。

　　4.2 實驗驗證總結

　　蜂鳴器制造及應用出現極間短路、陶瓷片劃傷、彈片與引腳接觸不良等問題通過對問題點進行研究分析，對蜂鳴器結構重新設計，通過實驗驗證可靠性方案為引腳4的折彎夾角β=145°+凸點結構可以有效解決蜂鳴器工作可靠性低問題。

　　5 壓電式蜂鳴器失效整改總結及意義

　　壓電式蜂鳴器內部蜂鳴片接觸的引腳不管是圓形還是扁形，末端都是尖的，高頻振動下易與蜂鳴片表面產生刮擦，兩個引腳尾部增加凸點結構后，一方面改變現有的接觸方式，使更加平和、穩定，另外其發出的聲音效果也相對減少了尖銳的部分；適當的延長彎折位置同時縮小彎折角度，能夠增加與蜂鳴片之間的間距，減少兩者之間接觸的質量隱患；通過以上兩種新型的設計方案可以大幅度提高蜂鳴器工作的可靠性，解決蜂鳴器工作不穩定及發聲不良。全面提升蜂鳴器在外界因素影響下工作可靠性。

　　參考文獻

　　[1]王慧麗.蜂鳴器故障的分析及應用[J].電子技術與軟件工程,2014(5).

　　[2]陳漢寧.一種新型蜂鳴器的設計[J].機電元件,2013(12).

　　[3]韓雪飛.(Na0.52K0.44Li0.04)(Nb0.9Sb0.04Ta0.06)O3壓電陶瓷及蜂鳴器的制備與性能[J].機械工程材料.2017(2).

　　作者簡介

　　項永金(1984—),男，中級工程師，研究方向：蜂鳴器結構可靠性研究。

　　本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第10期第66頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。