CN1144501C - 压电声学元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压电声学元件，包含单端负载型振动体，安装基片和盖子。振动体包含大致上矩形的压电板和大致上矩形并结合到压电板的背侧的金属板。振动体的纵向的相对端部通过各自支持部件固定到安装基片上。振动体的金属板通过一个支持部件固定地连接到位于安装基片上的第一电极，而位于压电板的前侧上的电极通过导电线连接到位于安装基片上的第二电极。用硅橡胶填充安装基片和振动体的侧向相对端部中的每一个端部之间的空隙，由此在振动体和安装基片之间限定了声空间。其中形成有声释放孔的盖子结合到安装基片，以便覆盖振动体而不接触该振动体。

Description

压电声学元件

本发明涉及一种压电声学元件，诸如压电蜂鸣器或压电接收器。

诸如用于产生报警或工作笛音的笛子蜂鸣器的压电声学元件被广泛地使用于例如电子设备、家用电气和蜂窝电话中。

如在第7-107593和第7-203590号日本专利申请(已公开)中揭示的，这样的压电声学元件典型地具有如此的结构，其中将圆形金属板粘合到设置在压电板的一个主表面上的电极，由此构成单端负载(unimorph)型振动体。在这样的结构中，振动体设置在圆形外壳中，从而金属板的周围边缘部分由外壳支持，并且外壳的开口部分由盖子覆盖。

但是，采用这种圆形的振动体引起了差的生产效率，低的声学转换效率，并且表面安装结构困难。这些问题将在下面详细地描述。

首先，将讨论生产效率和声学转换效率。制造这样的压电声学元件的过程包括步骤：如图1A所示，通过使用空心冲头41，从由未处理薄片40形成圆形压电板42；如图1B所示，将圆形金属板43电气和机械地结合到设置在压电板42的一个主表面上的电极；在位于压电板42相对的主表面上的电极之间施加高压直流电场使之极化，由此得到振动体44；在外壳45内设置振动体44；将分别连接到位于压电板42另一个主表面上的电极和金属板43上的导线46和47向外延伸到外壳45的外部，如图1C所示。

但是，如图1A所示，由未处理薄片40使用空心冲头形成盘状压电板42导致了未处理薄片40的大部分未被使用，导致差的材料利用率。由于在冲切后在个别基体上形成电极并极化，故处理的效率是差的。另外，由于空心冲头41必需根据压电板42的尺寸制造，故整个生产效率更差。

如图2A所示，由于盘状振动体44由外壳45固定在周缘部分处，因此只有在其中心出现最大位移点P，故位移量小，并且声学转换效率低。结果，声压相对于输入的能量非常低。另外，由于振动体44沿圆周受到限制，故产生较高的频率。为了得到低频压电振动体，振动体的半径必需增加。

其次，将讨论表面安装结构的实施。表面安装结构的压电声学元件被揭示在例如第3-125396号日本实用新型申请(已公开)中。但是，整这个结构具有许多缺点。更具体地说，由于引线端子必需整体地形成在金属板上，故金属板的形状变得复杂。还有，由于需要将引线端子从外壳向外延伸，外壳的形状变复杂。另外，由于使引线端子接触或者固定地安装到压电板，故负载易作用在压电板上。因此，由于可靠性差和生产成本高，这种表面安装结构的压电声学元件的实行是低级的。

为了解决上述问题，本发明的较佳实施例提供了一种压电声学元件，它包含振动体，所述振动体具有大致上矩形的压电板，具有第一主表面和第二主表面，设置在压电板的第一主表面上的第一振动体电极，以及设置在压电板的第二主表面上的大致上矩形的金属板；安装基片，所述安装基片包括设置在其上的第一电路电极和第二电路电极，第一电路电极连接到金属板，第二电路电极连接到第一振动体电极；支持部件，安排得使将振动体通过支持部件安装在安装基片上的纵向相对的端部，从而在安装基片和振动体的纵向相对端部之间限定了空隙；一种弹性密封材料，密封安装基片和振动体的每一个横向相对端部之间的空隙，由此限定了振动体和安装基片之间的声学空间，以及盖子其中设置有声音释放孔，并且结合到安装基片上，以覆盖振动体而不接触振动体。

由于压电板大致上为矩形，故即使压电板由未处理薄片上冲切下来，未处理薄片的剩下未使用的部分和现有技术相比大大减小，从而大大改进了材料的利用率，它在本发明的较佳实施例中非常高。另外，由于电极的形成和极化可以在母板上进行，其中多个压电板在所述母板上切割，故大大改进了生产效率。另外，由于具有不同设计尺寸的各种压电板可以通过改变母板的切割尺寸或位置而得到，故和传统的压电声学元件相比，不需为每一种压电板制造不同尺寸的空心冲头。更具体地说，用于从未处理薄片的冲切到母板的切割的各个生产步骤中的种类大大的减小，由此显著地减小了生产成本，并改进了生产效率。

在根据本发明的较佳实施例的压电声学元件中，大致上为矩形的振动体的纵向的相对的端部通过各个支持部件固定到安装基片上。由此，当将预定频率的信号输入设置在压电板的另一个主表面上的金属板和电极之间时，压电板膨胀和收缩，由此，大致上为矩形的振动体相应地弯曲。此时，振动体沿大致上垂直于其主表面的方向振动，同时以纵向相对的端部作为振动的节点，并且沿纵向的中心线产生最大位移点P。即，位移量大大增加。由于位移量直接和移动空气的能量成比例，故由此大大增加了声学转换效率。

虽然振动体的安装基片和每一个横向的相对的端部之间的空隙由密封材料密封，但密封材料由于其弹性而不阻碍振动体的振动。由于位于固定的纵向相对端部之间的振动体的部分可以自由位移动，振动体可以产生低于现有技术中使用的盘状振动体产生的频率。换句话说，当要产生所需的频率时，本发明的较佳实施例中使用的大致上矩形的振动体可以比现有技术中使用的盘状振动体小。

由于盖子结合到安装基片，以便以不接触的方式覆盖振动体，故在振动体周围建立大致上的密封的条件，并且表面安装可以容易实现。更具体地说，设置在安装基片上的第一和第二电极可以被引导到安装基片的端面或相对侧，从而用作外部端子。这样的结构简化了金属板、外壳和其它元件的形状。

在上述压电声学元件中，支持部件可以由导电材料制成，并且可以将振动体的金属板通过支持部件固定地连接到设置在安装基片上的第一电路电极，而设置在压电板第一主表面上的第一振动体电极可以通过导电线连接到设置在安装基片上的第二电路电极。

由于振动体和安装基片可以电气和机械的方式通过支持部件连接，故压电声学元件的结构变得简单，并且建立可靠的电气连接。另外，由于引线端子不连接到振动体，故外部负载不作用在振动体上，由此完成高度可靠的压电声学元件。

通过下面参照附图对本发明的较佳实施例的描述，本发明的其它特点和优点是显而易见的。

图1A-1C是示出根据传统方法制造或者压电蜂鸣器的工艺步骤的示图；

图2A是示出传统圆形振动体中位移分布的示图；

图2B是示出根据本发明的一个较佳实施例的大致上矩形的振动***移的分布的示图；

图3是示出根据本发明的较佳实施例的压电声学元件的一个例子的压电蜂鸣器的透视图；

图4是压电蜂鸣器的透视图；

图5是沿图3的线V-V的截面图；

图6是根据尺寸和谐振频率之间的关系比较圆形振动体和大致上矩形的振动体的曲线图；体的曲线图；

图7A-7C是示出用于制造大致上矩形的振动体的工艺的步骤的示图；

图8A-8D是示出用于制造大致上矩形的压电蜂鸣器的示图。

图3到5示出根据本发明的较佳实施例压电声学元件的压电蜂鸣器。

压电蜂鸣器最好包含单端负载型振动体1，安装基片10和盖子20。

振动体1包括大致上矩形的压电板2，它由压电陶瓷，诸如PZT制成，以及大致上矩形的金属板，所述金属板电气和机械地结合到压电板2的第二主表面上，金属板3最好由具有良好的导电性和弹性的材料，诸如磷铜或42Ni制成。当金属板3由42Ni制成时，金属板3具有接近于陶瓷(例如，PZT)的热膨胀系数，从而可以得到更加可靠的振动体1。第一和第二振动体电极2a和2b分别设置在压电板2的第一和第二主表面上。金属箔3粘到第二振动体电极2b，由此在它们之间建立电气传导。代替使用第二振动体电极2b，可以通过使用导电粘剂，直接将金属板3结合到压电板2的第二主表面，即，金属板3也可以用作第二振动体电极2b，

由导电材料制成的支持部件4和5固定到振动体1的第二主表面上它的沿纵向的相对的端部。可以通过例如，沿直线将导电粘剂施加给金属板3的下表面，并固化所施加的线形粘剂，或通过将线形的导电材料(诸如金属线)固定地安装到金属板3的下表面，来限定支持部件4和5。

振动体1通过支持部件4和5，电气而机械地结合到绝缘安装基片10上。更具体地说，将支持部件4的下表面通过导电粘剂(图中未示)结合到设置在安装基片10上的第一电路电极11，而支持部件5的下表面通过导电粘剂或绝缘粘剂(图中未示)结合到安装基片10未设置电极的部分上。由此，振动体1被可靠地和固定地支持在纵向相对的端部，同时在振动体1和安装基片10之间限定了预定的空隙。由此，振动体1可以垂直地振动，同时振动体1的纵向相对的端部作为节点。

在上述描述中，支持部件4和5固定地附到振动体1的第二主表面上，然后支持部件4和5的下表面通过导电粘剂结合到安装基片10上。但是，形成支持部件4和5的步骤和将振动体1和安装基片10结合到一起的步骤同时地执行。更具体地说，导电粘剂可以通过印刷或通过使用散布器或其它适当的方法，线形地施加到安装基片10的上表面或者振动体1的下表面。然后，在固化导电粘剂前，可以固化导电粘剂。该工艺包含更少的步骤，由此进一步更加的生产效率。

振动体的第一主表面，即，第一振动体电极2a较好地通过导电线6连接到设置在安装基片10上的第二电路电极12。第一电路电极11设置在安装基片10的上表面上结合相对的端面中的一个的位置，并沿端面延伸，到达背侧。第二电路电极12设置在安装基片10的上表面上结合另一个端面的部分，并沿端面延伸，并到达背侧。

安装基片10和振动体1的每一个横向相对端部之间的空隙用弹性密封材料13，诸如硅橡胶充满，由此在振动体1和安装基片10之间限定声空间14(见图5)。声空间不必完全密封。例如，可以在安装基片10中形成适当的阻尼孔，以和元件的外部联系。密封材料13由于其弹性而不阻碍振动体1的振动。

将树脂盖子20结合到安装基片10上，以不接触的方式覆盖振动体1。即，盖子20不在如何部分接触振动体1。盖子20具有一个声音释放孔21，设置在其顶部，因此将诸如蜂鸣笛音之类的声音通过孔21释放到元件的外部。

图6比较了现有技术中使用的圆形振动体和本发明的较佳实施例中使用的大致上为矩形的振动体的尺寸和谐振频率之间的关系。

如图6所示，对于相同谐振频率时的尺寸大致上矩形的振动体的尺寸(长度)可以制得小于圆形振动体。换句话说，当大致上矩形的振动体和圆形振动体尺寸相同时，大致上矩形的振动体比圆形振动体产生更低的谐振频率。

图6的比较通过使用厚度大约50μm(而由42Ni制成的金属板厚度大约50μm)的PZT压电板完成。大致上矩形的振动体的长度L和宽度W的比值大约1.67。

图7A到7C示出制造振动体1的过程。

首先，如图7A所示，大致上矩形的母板32使用空心冲头31从未处理薄片30冲切。

然后，如图7B所示，母板32经受电极形成和极化，然后沿纵向和横向的切割线CL切割，由此产生压电板2。

然后，如图7C所示，通过使用导电粘剂，压电板2结合到金属板3，所述金属板3最好具有类似于压电板2的形状。支持部件4和5设置在金属板3的下表面上相对的顶部，由此产生了振动体1。

由于由未处理薄片30冲切的母板32大致上矩形，故大大减小了未处理薄片30的未使用的部分的量，由此达到高的材料利用率。由于在母板32上实施电极的形成和极化，其中多个压电板2在所述母板32上切割，即，由于对于多个压电板2同时进行工艺步骤，故生产效率大大改进，并非常高。由于可以通过改变母板的切割尺寸或者位置生产具有不同设计尺寸的各种类型的压电板，不需要改变空心冲头32的大小，因为可以使用通用的空心冲头故减小了设备的成本。尤其是分布在未处理薄片30的冲切到母板32的切割的生产步骤中使用的模具、夹具和压电体种类的种类都大大减小。

根据图7B和7C所示的生产步骤，在将母板32切割为压电板2时，每一个压电板都结合到金属板3。但是，已经经受了电极的形状和极化的母板32可以结合到金属的母板。然后，得到的结合体可以切割为振动体，其中每一个振动体都包括一个压电板2和金属板3。

下面将参照图8A到8D描述制造压电蜂鸣器的处理。

首先，如图8A所示，将振动体1结合到安装基片10，其中在所示安装基片10上已经分别形成了第一和第二电路电极11和12，同时支持部件4和5插在它们之间。在这种情况下，将支持部件4结合到第一电路电极，并将支持部件5结合到没有电极的安装基片10。

然后，如图8B所示，压电板2的振动体电极2a和第二电路电极12通过导电线6较好地连接。这样的连接可以通过例如线连接方式或其它适当的方式完成。较好地，将导电线6连接到振动体电极2a位于支持部件5上的位置，它作为振动体1的振动节点。

然后，如图8C所示，将硅橡胶13填充到安装基片10和振动体1的每一个侧向相对端部之间限定的空隙中，由此在振动体1和安装基片10之间限定了声空间14。硅橡胶13的应用范围不限于振动体1的横向相对端部。或者，硅橡胶13可以施加到振动体整个周围。

最后，如图8D所示，盖子20结合到安装基片10上，以覆盖振动体1。由此，产生了表面安装压电声学元件。

根据上述的制造程序，将振动体1和盖子20结合在每一安装基片10上。但是，母安装基片可以代替安装基片10使用。在这种情况下，制造过程包括步骤：将多个振动体1以大致恒定的间隔结合到母安装基片上；粘接多个盖子20到母安装基片上以覆盖对应的振动体1，并切割母安装基片，由此产生各个压电声学元件。

上述较佳实施例以制成单个振动体1的安装基片10的情况进行描述。但是，本发明不限于此。安装基片10可以支持多个振动体1。在这种情况下，相应于振动体1的各个电极可以设置在安装基片10上。通过将电极连接到相应的振动体1，振动体1可以产生各自不同的声音。

上述较佳实施例描述中包括提及了导电材料的支持部件。但是，本发明不限于此。支持部件可以由绝缘材料(例如，粘剂)支持。在这种情况下，金属板和设置在安装基片上的第一电极可以通过例如，焊料、导电粘剂或导线连接。

压电板和金属板不需具有相同尺寸。例如，金属板的尺寸可以稍稍大于压电板。例如，当金属板比压电板长时，产生的谐振频率依赖于长度的差。

上述的较佳实施例描述了将设置在压电板的第二主表面上的第二振动体电极连接到设置在安装基片上的第二电路电极的情况。第但是，本发明不限于此。引线端子可以代替导线使用。在这种情况下，引线端子的一端可以弹性地和设置在压电板的第二主表面上的第二振动体电极接触，或可以通过使用焊料或导电胶，固定地连接。

结合单端负载型振动体，描述上述较佳实施例。本发明不限于此。还可以使用双端负载型振动体，它包含压电板和附在压电板的相对侧上的两个金属板。

虽然已经参照本发明的较佳实施例具体示出和描述了本发明，对熟悉本领域的人将知道，在不背离本发明的主旨的条件下，可以有上述和其它形式和细节上的变化。

Claims (10)

1.一种压电声学元件，其特征在于包含：

振动体，包含大致上矩形的压电板，所述压电板具有第一主表面和第二主表面，第一振动体电极设置在所述压电板的第一主表面上，并且，大致上矩形的金属板设置在所述压电板的第二主表面上；

安装基片，包含设置在其上的第一电路电极和第二电路电极，第一电路电极连接到金属板，第二电路电极连接到第一振动体电极；

支持部件，所述支持部件被设置成使振动体通过所述支持部件被安装在安装基片的纵向的相对的端部，由此在振动体纵向相对的端部和安装基片之间形成声空隙；及

弹性密封材料，密封所述安装基片和振动体的每一个横向相对端部之间的空隙，由此限定了振动体和按照基片之间的声学空间，以及

盖子，所述盖子具有设置在其中的声释放孔，所述盖子粘合到安装基片，从而不接触振动体地覆盖了振动体。

2.如权利要求1所述的压电声学元件，其特征在于支持部件由导电材料制成。

3.如权利要求2所述的压电声学元件，其特征在于振动体的金属板通过至少一个支持部件，固定地连接到设置在安装基片上的第一电路电极。

4.如权利要求1所述的压电声学元件，其特征在于支持部件由绝缘材料制成。

5.如权利要求1所述的压电声学元件，其特征在于还包含导电线，其中设置在压电板的第一主表面上的振动体电极通过导电线，连接到设置在安装基片上的第二电路电极。

6.如权利要求1所述的压电声学元件，其特征在于压电板和金属板具有大致上相同的尺寸。

7.如权利要求1所述的压电声学元件，其特征在于压电板和金属板具有不同的尺寸。

8.如权利要求1所述的压电声学元件，其特征在于振动体是单端负载型振动体。

9.如权利要求1所述的压电声学元件，其特征在于弹性的密封材料是硅橡胶。

10.如权利要求1所述的压电元件，其特征在于将弹性密封材料施加到3振动体的整个周围表面。

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