貼片壓電式蜂鳴器結(jié)構(gòu)可靠性研究與設(shè)計(jì)

　　項(xiàng)永金，戴銀燕（格力電器（合肥）有限公司，合肥?230088）

　　摘?要：商用風(fēng)管機(jī)空調(diào)用控制器在實(shí)際應(yīng)用過程及售后反饋蜂鳴器發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)蜂鳴器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，該缺陷主要集中在引腳與彈片兩個部分，主要質(zhì)量投訴問題有3個，引腳與彈片接觸不良產(chǎn)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(shè)計(jì)蜂鳴器結(jié)構(gòu)第二引腳的折彎夾角β=145°+凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，解決了蜂鳴器工作可靠性低問題。

　　關(guān)鍵詞：壓電式蜂鳴器；折彎角度；凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)可靠性

　　0 引言

　　蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，他廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報警器、電話機(jī)、家用電器等電子產(chǎn)品中作發(fā)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(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)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(fā)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(gòu)成，當(dāng)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(fā)聲。蜂鳴器工作穩(wěn)定性及可靠性直接影響用戶體驗(yàn)感。因此研究蜂鳴器設(shè)計(jì)及工作可靠性 ，提高消費(fèi)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(zhuǎn)換器件，將壓電材料粘貼在金屬片上，當(dāng)壓電材料和金屬片兩端施加上一個電壓后，因?yàn)閴弘娦?yīng)，蜂鳴片就會產(chǎn)生機(jī)械變形而發(fā)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(chǎn)生刮擦，兩個引腳尾部增加凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)后，一方面改變現(xiàn)有的接觸方式，使更加平和、穩(wěn)定，另外其發(fā)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(dāng)?shù)那闆r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(dǎo)致上電后無聲音或聲音不穩(wěn)定，適當(dāng)?shù)匮娱L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(zhì)量隱患；控制器過程、售后大比例主板失效嚴(yán)重影響空調(diào)整體產(chǎn)品質(zhì)量及用戶實(shí)際體驗(yàn)效果。問題急需進(jìn)行分析研究解決。

　　2 壓電式蜂鳴器失效原因及失效機(jī)理分析

　　壓電式蜂鳴器是一種電聲轉(zhuǎn)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(dāng)引腳3、引腳4施加電壓后，因?yàn)閴弘娦?yīng)，蜂鳴片就會產(chǎn)生機(jī)械變形而發(fā)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(jìn)行蜂鳴器裝配時或使用過程中，由于受力產(chǎn)生的變形，極易導(dǎo)致引腳4與壓電材料1接觸，彈片與引腳接觸不良，進(jìn)而導(dǎo)致上電后蜂鳴器發(fā)聲不穩(wěn)定（如圖2）。存在質(zhì)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(dǎo)致蜂鳴器發(fā)聲較為尖銳、不平穩(wěn)。

　　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(jīng)極化和老化處理后，再與黃銅片或不銹鋼片粘在一起。當(dāng)加入交流電壓后,會因?yàn)閴弘娦?yīng),而產(chǎn)生機(jī)械變形伸展及收縮，利用此特性使金屬片振動而發(fā)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(chǎn)過程操作不當(dāng)或高頻振動的作用下易刮傷壓電材料 ，彈片實(shí)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(dǎo)致兩極短路蜂鳴器發(fā)聲不穩(wěn)定或是直接短路失效。

　　3 蜂鳴器結(jié)構(gòu)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(dāng)?shù)那闆r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(dǎo)致上電后無聲音或聲音不穩(wěn)定，適當(dāng)?shù)匮娱L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(zhì)量隱患。

　　3.1 解決的技術(shù)問題

　　通過對引腳結(jié)構(gòu)的調(diào)整，改變蜂鳴器引腳的彎折角度，減小如下A點(diǎn)的彎折角度（控制在130°~150°），增加與蜂鳴片之間的間距,具體設(shè)計(jì)更改點(diǎn)前后對比如下圖4、5。對蜂鳴器內(nèi)部兩個引腳的末端增加凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)（凸點(diǎn)直徑根據(jù)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(zhì)量問題，對壓電式蜂鳴器結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)優(yōu)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(diǎn)，所述第4引腳包括向遠(yuǎn)離所述壓電材料的方向折彎的折彎部。分別設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)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(diǎn)結(jié)構(gòu)（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(diǎn)與彈片過渡配合無論外部機(jī)械振動或是受熱應(yīng)力形變凸點(diǎn)與彈片都可以可靠性接觸不脫離）。

　　4 整改效果評估及應(yīng)用效果驗(yàn)證

　　通過對蜂鳴器售后失效品大量分析及結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究后設(shè)計(jì)兩種結(jié)構(gòu)方案，對彈片與引腳接觸不良、極間短路問題重新對物料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)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(diǎn)結(jié)構(gòu)，并對新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)物料做相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)M器件在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中可能存在影響因素，安排器件依據(jù)國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)要求振動試驗(yàn)、整機(jī)跌落試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方案如表1、2。

　　4.1 振動實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

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

　　4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證總結(jié)

　　蜂鳴器制造及應(yīng)用出現(xiàn)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(diǎn)進(jìn)行研究分析，對蜂鳴器結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可靠性方案為引腳4的折彎夾角β=145°+凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)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(jié)及意義

　　壓電式蜂鳴器內(nèi)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(chǎn)生刮擦，兩個引腳尾部增加凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)后，一方面改變現(xiàn)有的接觸方式，使更加平和、穩(wěn)定，另外其發(fā)出的聲音效果也相對減少了尖銳的部分；適當(dāng)?shù)难娱L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(zhì)量隱患；通過以上兩種新型的設(shè)計(jì)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(wěn)定及發(fā)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(xiàn)

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　　作者簡介

　　項(xiàng)永金(1984—),男，中級工程師，研究方向：蜂鳴器結(jié)構(gòu)可靠性研究。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)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。