CN1207797C - 压电元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种压电元件，包含大致上为矩形的压电单元，覆盖压电单元的至少一对端部的第一弹性材料，其中这对端部包含压电单元的边缘部分，覆盖整个压电单元和第一弹性材料的第二弹性材料，以及覆盖由第二弹性材料覆盖的压电单元整个边界的外部包层树脂。

Description

压电元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种压电元件，以及制造这种压电元件的方法。在压电元件中，压电单元的边界由弹性材料覆盖，弹性材料的外围和压电元件由外部包层树脂覆盖。
背景技术
第1-228310号日本未审查专利公告描述了一种压电元件，其中具有连接到引线端子的端部电极的压电单元的边界由诸如硅橡胶种类的弹性材料覆盖，并且其外围由外部包层树脂密封。
为了制造这样的压电元件，首先，将引线端子安装到压电单元。然后，通过将压电元件浸泡到液体状态的硅橡胶中，并通过加热硬化橡胶层而将硅橡胶层包在压电单元上。另外，将环氧树脂层通过浸泡法设置到硅橡胶的外部。然后通过加热，硬化环氧树脂，以得到外部包层树脂。
当用于形成外部包层树脂层的环氧树脂通过加热硬化时，它收缩，由此产生由外部包层树脂引起的应力，它收缩并压缩压电元件的内部。如果压电元件中收缩和压缩压电单元的应力的大小改变，则其振荡特性改变。使用硅橡胶，因为它能够防止压电单元的振荡特性的变化，并具有阻尼效应，该效应抑制压电单元的波形变形。
为了减小压电单元中由外部包层树脂所产生的应力，较好的做法是使压电单元的边缘部分与外部包层树脂之间的差，即硅橡胶的最小厚度大于外部包层树脂硬化时的收缩量，另外，还大于外部包层树脂和压电单元的热膨胀量之间的差。
但是，由于硅橡胶的表面张力，用于形成流体状态硅橡胶的浸泡法对于得到所需的压电元件端部处的硅橡胶所需的厚度是不令人满意的。因此压电元件的温度特性由压电元件中外部包层树脂产生的应力而大大改变。
发明内容
为了克服上述的问题，本发明提供了一种压电元件以及制造这种压电元件的方法，该压电元件大大减小了压电单元中由外部包层树脂而产生的应力，同时保持了阻尼压电单元的功能。
本发明的一个较佳实施例提供了一种压电元件，包含大体上矩形的压电单元；第一弹性材料，覆盖压电单元的至少一对端部，所述端部包括压电单元的边缘部分；第二弹性材料，覆盖整个压电单元和第一弹性材料；和外部包层树脂，覆盖压电元件由第二弹性材料覆盖的整个边界。
在上述压电元件中，压电单元的端部(此处很难得到足够厚度的弹性材料)由第一弹性材料覆盖。另外，第一弹性材料的边界由第二弹性材料覆盖。即，将两种弹性材料设置在压电单元的边缘部分，该部分处压电单元非常容易受由外部包层树脂给出的收缩应力的影响。因此，由于具有足够厚度的第一和第二弹性材料吸收应力的任何变化，所以即使当由外部包层树脂给出的收缩应力根据温度变化而改变时，也可以防止由温度变化引起的振荡特性的变化。另外，通过第二弹性材料保持阻尼效应，由此防止发生波形变形或其它有害的效应。
按照各自所需的特性确定第一和第二弹性材料的弹性模量和硬度。在第二弹性材料的情况下，例如最好设置硬度为28“肖氏硬底A”。
本发明的另一个较佳实施例提供了制造压电元件的方法，包含步骤：在压电单元的至少一对端部上部分地形成未硬化的第一弹性材料，这对端部包含压电单元的边缘部分，然后硬化第一弹性材料，在压电单元的整个外围和第一弹性材料上形成未硬化的第二弹性材料，然后硬化第二弹性材料，并在覆盖压电单元的第二弹性材料的整个外围上以及第一弹性材料上形成未硬化外部包层树脂，然后硬化外部包层树脂。
通过上述方法，可以容易地制造根据本发明的较佳实施例的压电元件。
为了形成未硬化的第一和第二弹性材料，不仅可以使用浸泡法，还可以使用烙铁、调和器或其它适当的方法。类似地，可以使用浸泡法或其它方法形成未硬化外部包层树脂。
虽然第一弹性材料和第二弹性材料可以相同，最好使第一弹性材料的触变指数大于第二弹性材料的触变指数。触变性质是液体的一种特性，它被定义为粘度根据切向应力非线性变化的性质。如果弹性材料的触度指数大，则在压电单元上形成弹性材料时，易实现弹性材料的足够厚度。由此，如果使未硬化的第一弹性材料的触变指数大于未硬化的第二弹性材料触变指数，则可以在压电单元的两个边缘部分得到足够的薄膜厚度。另一方面，即使当第二弹性材料的触变指数小，由于容易使用第二弹性材料覆盖压电单元的中心部分，并且这种结构几乎不受热的影响，故也不会有问题。
较好地，第一和第二弹性材料的触变指数最好大于大约1.7。如果触变指数等于或小于1.7，则压电元件的端部难以达到足够厚度的弹性材料，这是因为弹性材料的表面张力导致的。
从下面参照附图对本发明的描述，本发明的其它特点和优点将是显然的。
附图说明
图1是根据本发明的压电元件的较佳实施例的纵向截面图。
图2是以沿图1中的线II-II的截面图。
图3是图1所示的压电单元的正视图，其中安装有引线端子。
图4是图1所示的压电元件的后视图，其中安装有引线端子。
图5是压电元件的正视图，它具有图3所示的引线端子，其中还在压电单元的边缘部分设置有第一弹性材料。
图6是压电单元的正视图，它具引线端子和图5所示的第一弹性材料，其中在压电单元的整个表面上以及第一弹性材料上设置第二弹性材料。
图7是示出触变指数和压电单元边缘处弹性材料的厚度之间的关系的曲线图。
具体实施方式
图1到6示出了三端型压电陷波元件，它是根据本发明的压电元件的较佳实施例。这种压电陷波元件最好包括大致上为矩形的压电陶瓷基片1，该基片1具有一对大致上为矩形的主表面。基片1沿其主表面的纵向极化。如图3和4所示，将分开的电极2和3设置在压电陶瓷基片1的第一主表面的两个端部。将接地电极4设置在压电陶瓷基片1的第二主表面的大致的中心部分。分开的电极2和3与接地电极4部分相互重叠，压电陶瓷基片1设置在它们之间。在相对的部分产生厚度切向振动。本发明的较佳实施例的压电单元最好由设置有上述电极2-4的压电陶瓷基片1构成。引线端子5和6通过焊接或其它适当的结合处理或构件，分别固定和连接到分开的电极2和3。引线端子7固定和连接到接地电极4。引线端子5-7最好由板状或线状金属材料确定。
压电陶瓷基片1的边缘部分分别由硅橡胶层10和11覆盖，它确定了第一弹性材料。硅橡胶10和11在未硬化状态下的触变指数最好大于大约1.7，以达到压电陶瓷基片1的边缘部分有足够厚度的第一弹性材料。
具有硅橡胶层10和11的压电陶瓷基片1的整个边界最好用硅橡胶12覆盖，该硅橡胶12确定了第二弹性材料。
由于这种硅橡胶12覆盖了压电单元的振动部分，故除了在未硬化状态下的触变性质外，还需要考虑到压电特性来选择一种材料特性。在这个较佳实施例中，虽然第二硅橡胶12的触变指数最好小于硅橡胶层10和11的触变指数，但它最好大于大约1.7。另外，在压电陷波元件的情况下，为了防止压电特性被破坏，最好使第二硅橡胶12的硬度等于或小于大约28“肖氏硬度A”。
注意，这里使用的触变指数指在大约6rpm的粘度与在大约60rpm的粘度比，即，触变指数(Ti)＝在大约6rpm的粘度/在大约60rpm的粘度。
具有硅橡胶12的压电陶瓷基片1的整个边界通过外部包层树脂13覆盖。为了确保电气绝缘、安装强度以及其它想要的特性，最好例如使用一种环氧树脂作为外部包层树脂13。
下面揭示上述压电陷波元件的制造方法的较佳实施例。首先，制备图3和4中所示的压电单元1。即，将引线端子5-7分别固定并连接到设置在压电陶瓷基片1的一对主表面上的电极2、3和4。接着，如图5所示，部分地设置处于流体状态，即未硬化状态下的第一硅橡胶10和11，从而压电元件1的端部，尤其是压电单元1的边缘部分被覆盖。更具体地说，将处于流体状态的硅橡胶10和11通过烙铁等设置在压电单元1的边缘部分，然后硬化硅橡胶层10和11。
下面，如图6所示，将处于流体状态的第二硅橡胶12设置在压电单元1的整个表面上，然后硬化第二硅橡胶12。这个处理最好通过将压电元件1浸泡到处于流体状态(即未硬化状态)的第二硅橡胶12中来实现。为了便于浸泡处理，可以用二甲苯或其它适当的材料或物质稀释第二硅橡胶12。
接着，将包含第二硅橡胶12的压电单元1浸泡到处于流体状态，即未硬化状态下的外部包层树脂13中。然后，通过加热硬化覆盖压电单元1的外部包层树脂13以及第二硅橡胶12。结果，得到图1和2所示的压电陷波元件。
为了得到稳定的压电特性，在压电单元1的边缘部分1a处的硅橡胶层10、11和12的总厚度最好大于外部包层树脂13的最大收缩量与压电单元1的最大收缩量之间的差。可以通过形成如上所述的硅橡胶层10、11和12，容易地得到较佳的厚度。
表1示出了处于流体状态下的硅橡胶的触变指数Ti与在压电单元边缘部分处的硅橡胶层的平均厚度之间的关系。
如从表1可见的，触变指数Ti最好大于大约1.7，以达到预定的厚度。如果触变指数Ti是大约1.7或更小，则硅橡胶不能设置在压电单元的边缘部分。
                         表1
  触变指数Ti 压电元件边缘部分处的硅橡胶的平均厚度
    3.1     54.1
    2.8     52.9
    2.5     50.8
    2.3     42.7
    2.1     29.5
    1.8     8.0
    1.7     0
图7是示出表1中所指出的关系的曲线图。
表2示出了在压电单元的边缘部分处的硅橡胶的厚度与压电陷波元件的Fo温度特性之间的关系。Fo温度特性是通过测量压电陷波元件在大约-20℃和大约+85℃的范围内的Fo温度，然后根据在大约+20百分度的Fo温度计算变化率而确定的。
如从结果可见，当在压电单元的边缘部分的硅橡胶的厚度大致上等于或大于大约5微米时，满足Fo温度的标准值，即±0.5％。如果使用触变指数大于大约1.7，并处于流体状态的硅橡胶，则在压电单元的边缘部分容易得到厚度大致上等于或大于大约5微米的硅橡胶层。
                                                 表2
  厚度(微米)                            在每一个温度上的Fo变化率(％)
  -20℃     0℃    +20℃     +40℃     +60℃     +85℃
    0     0.28     0.18     0.00     -0.24     -0.68     -0.79
    5     0.03     0.02     0.00     -0.05     -0.14     -0.16
    8     -0.05     -0.02     0.00     -0.04     -0.18     -0.20
    15     -0.08     -0.03     0.00     -0.03     -0.11     -0.12
本发明不限于上述较佳实施例。作为压电单元，本发明不限于压电陷波元件，而可以是压电滤波器，如第1-228310号日本未审查专利公告中所揭示的那种陶瓷鉴频器或其它适当的设备。
端子数可以是二或三。
可以使用相同的硅橡胶形成第一弹性材料和第二弹性材料。
作为提供第一弹性材料的方法，除了用烙铁或调和器滴液，还可以将压电元件的边缘部分浸泡到处于流体状态下的弹性材料中。另外，作为提供第二弹性材料的方法，除了浸泡方法外还可以使用其它的方法。
另外，如果硅橡胶以外的其它材料具有所需的特性，也可以将这种材料用于弹性材料。
虽然已经参照本发明的较佳实施例，具体示出了描述了本发明，熟悉本领域的人将知道，在不背离本发明的主旨的条件下，可以有上述和其它的形式和细节上的变化。

Claims (21)

1.一种压电元件，其特征在于包含：
压电单元；
第一弹性材料，覆盖压电单元的至少一对端部，所述端部包括压电单元的边缘部分；
第二弹性材料，覆盖整个压电单元以及第一弹性材料；和
外部包层树脂，覆盖压电单元由第二弹性材料覆盖的整个边界。
2.如权利要求1所述的压电元件，其特征在于压电元件大致上为矩形的形状。
3.如权利要求1所述的压电元件，其特征在于第一弹性材料处于未硬化状态的触变指数大于第二弹性材料处于未硬化状态的触变指数。
4.如权利要求1所述的压电元件，其特征在于第一弹性材料和第二弹性材料处于未硬化状态下的触变指数分别大于大约1.7。
5.如权利要求1所述的压电元件，其特征在于第一弹性材料和第二弹性材料是相同的。
6.如权利要求1所述的压电元件，其特征在于第一弹性材料和第二弹性材料是不同的。
7.如权利要求1所述的压电元件，其特征在于压电元件包含压电陷波元件。
8.如权利要求1所述的压电元件，其特征在于压电基片沿其主表面的纵向极化。
9.如权利要求1所述的压电元件，其特征在于还包含压电基片的第一主表面的两个端部上的分开的电极，以及设置在压电基片的第二主表面的大致中心部分的接地电极。
10.如权利要求1所述的压电元件，其特征在于压电基片沿厚度切向振动模式振动。
11.如权利要求1所述的压电元件，其特征在于第二硅橡胶的硬度等于或小于大约28肖氏硬度A。
12.如权利要求1所述的压电元件，其特征在于，所述第一弹性材料只覆盖所述压电元件的一对端部，而且其中
所述第一弹性材料和第二弹性材料的组合厚度，在该压电元件的所述一对端部比在该压电元件的中心部分大。
13.一种制造压电元件的方法，其特征在于包含步骤：
在压电单元的至少一对端部上形成未硬化的第一弹性材料，其中这对端部包含压电单元的边缘部分；
硬化第一弹性材料；
在压电单元的整个周边和第一弹性材料上形成未硬化的第二弹性材料；
硬化第二弹性材料；及
在覆盖压电单元的第二弹性材料的整个周边形成未硬化的外部包层树脂；
及
硬化外部包层树脂。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于未硬化的第一弹性材料的触变指数大于未硬化的第二弹性材料的触变指数。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于未硬化的第一弹性材料和未硬化的第二弹性材料的触变指数分别大于大约1.7。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于未硬化的第一弹性材料和未硬化的第二弹性材料的触变指数分别大于大约1.7。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于第一弹性材料和第二弹性材料中的至少一个是硅橡胶。
18.如权利要求13所述的方法，其特征在于形成第一弹性材料的步骤是通过由烙铁和调和器中的一个滴下第一弹性材料，以及将压电单元的边缘部分浸泡到处于流体状态的第一弹性材料中这两个步骤中的一个来实现的。
19.如权利要求13所述的方法，其特征在于形成第二弹性材料的步骤是通过将压电基片浸泡到处于流体状态的第二弹性材料中来实现的。
20.如权利要求13所述的方法，其特征在于通过将压电单元浸泡到处于流体状态下的外部包层树脂中实现了形成外部包层树脂的步骤。
21.如权利要求13所述的方法，其特征在于压电单元的边缘部分处第一和第二层的总厚度大于外部包层树脂的最大收缩量和压电元件的最大收缩量之间的差。
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