CN1264958A - 设计压电元件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种设计压电元件的方法和制造这种压电元件的方法,包含步骤:如此设计弹簧件,从而压电谐振器和终端由一个支持压力支持,其中其中压电谐振器、终端和弹簧件的厚度不小于TMIN的最小值,并且不大于TMAX的最大值。罩子内部的尺寸范围不小于WMIN的最小值,并且不大于WMAX的最大值,压电谐振器和终端的支持压力范围不小于FMIN的最小值,并且不大于FMAX的最大值。

Description

设计压电元件的方法
本发明涉及设计用作梯形滤波器、振荡器、鉴别器或其它电子元件的压电元件的方法。更具体地说，本发明涉及一种设计压电元件的方法，在这种压电元件中，压电元件和终端由沿厚度方向施加的支持压力固定在位置上。
典型地，在这种压电元件中，压电谐振器、终端和弹簧件包含在罩子中。压电谐振器和终端由支持压力支持，该支持压力沿厚度方向，并由弹簧件产生。另外，罩子的内部通过设置一个包含树脂防渗板的盖子，并在罩子的开口施加树脂来密封。压电谐振器和终端通过由弹簧件施加的支持压力相互电气连接。
这样的压电元件必然遇到谐振器、终端和弹簧件厚度的变化和罩子内部尺寸的变化。
因此，如果压电谐振器、终端和弹簧件的各个尺寸的变化小，则压电谐振器和终端的接触压力(支持压力)小。结果，发生连接差，和抗震可靠性大大减小的问题。
另一方面，如果压电谐振器、终端和弹簧件的各个尺寸变化大，压电谐振器和终端的接触压力(支持压力)大，由此非常难装配元件。另外，有一个问题，即，电气特性由于压电谐振器的过度阻尼而恶化。
为了克服上述问题，传统地，通过在形成压电谐振器时对压电谐振器的研磨或调整终端的厚度，使罩子中所包含的元件的厚度相同，使接触压力稳定。
但是，在上述实施例中，调整工序非常昂贵，并需要很大的努力。
为了克服上述问题，本发明实施例提供了一种制造压电元件的方法，它可以在即使当构成压电元件的元件厚度发生变化时也达到适当的接触压力。
根据本发明的较佳实施例，制造压电元件的方法包含步骤：设置具有开口的罩子；将压电谐振器放置到罩子中；在罩子中安排包含外部连接部分的终端，以便从罩子的开口延伸到罩子的外部；将弹簧件安排在罩子中，并沿厚度方向保持和压电谐振器以及终端的接触；以及
设计和形成弹簧件的步骤包含步骤：如此设计弹簧件，从而压电谐振器和终端由一个支持压力支持，所述支持压力的范围是当弹簧高度是SMIN时不大于FMAX，而当弹簧高度是SMAX时则不小于FMIN，其中压电谐振器、终端和弹簧件的厚度不小于TMIN的最小值，并且不大于TMAX的最大值。罩子内部的尺寸范围不小于WMIN的最小值，并且不大于WMAX的最大值，压电谐振器和终端的支持压力范围不小于FMIN的最小值，并且不大于FMAX的最大值，SMIN是当压电谐振器、终端和弹簧件的厚度为TMAX的最大值，并且罩子内部的尺寸范围是WMIN的最小值时的弹簧高度，，并且SMAX是当压电谐振器、终端和弹簧件的厚度是TMIN的最小值，罩子内部的尺寸范围是WMAX的最大值时的弹簧高度。
根据本发明的另一个较佳实施例，设计压电谐振器(包含具有开口并且大致上为盒子形状的罩子，包含在所述罩子内的压电谐振器，包括从罩子的开口延伸到罩子的外侧的外部连接部分的终端，和安排在罩子中，并保持沿厚度方向与压电谐振器和终端接触的弹簧件)的方法包含步骤：如此设计弹簧件，从而压电谐振器和终端通过一个支持压力支持，该所述支持压力由弹簧施加，并且在不大于当弹簧高度为SMIN时的FMAX，并且不小于当弹簧高度是SMAX时的FMIN的范围内，其中压电谐振器、终端和弹簧件的厚度范围不小于TMIN的最大值，并不大于TMAX的最小值，罩子的内部尺寸范围是不小于WMIN的最小值，并且不大于WMAX的最大值，压电谐振器和终端的支持压力范围是不小于FMIN的最小值，并且不大于FMAX的最大值，SMIN是当压电谐振器、终端和弹簧件的厚度是TMAX的最大值，并且罩子的内部尺寸是WMIN的最小值时的弹簧高度，并且SMAX是当压电谐振器、终端和弹簧件的厚度是TMIN的最小值，并且罩子的内部尺寸范围是WMAX的最大值时的弹簧高度。
在本发明的较佳实施例中，弹簧可以具有线性弹簧特性或非线性弹簧特性。
还有，较好地，元件的尺寸和罩子的内部尺寸的变化范围，即，弹簧高度SMIN-SMAX的允许范围应该宽。
另外，当弹簧高度小时由弹簧件施加的压力的变化最好较小。
另外，考虑到产品的装配和尺寸，原来的弹簧高度应该低。
在本发明的较佳实施例中，弹簧可以由不同于终端的材料制成。或者，可以将相同的材料用于弹簧件和终端。对于具有弹簧特性的材料，可以使用诸如橡胶之类的弹性体代替板状金属弹簧。
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是显然的。
图1是根据本发明的较佳实施例的压电元件透视图。
图2是沿图1取得的截面图。
图3是示出在本发明的较佳实施例中弹簧高度范围和允许压力范围的图。
图4是具有适当的弹簧特性的弹簧件的特性示图。
图5是示出调节弹簧特性的方法的一个例子的示图。
图6是调节弹簧特性的方法的另一个例子的示图。
图7是当弹簧具有非线性特性时的弹簧特性的示图。
图8是示出理想的弹簧的特性的示图。
图9是将本发明的较佳实施例应用于梯形滤波器的分解透视图。
图10是图9所示的梯形滤波器的截面图。
图11是图9所示的梯形滤波器的俯视图、正视图、右视图和左视图、仰视图和后视图。
图12是图9所示的梯形滤波器的电路图。
图13是图9所示的梯形滤波器的弹簧件的特性示图。
下面将参照示出根据本发明的较佳实施例的压电元件的一个例子的图1和2，解释上述方法。
这里，参数1指压电谐振器，它的前表面和后表面上具有电极。参数2和3指终端。参数4、5、6和7分别指弹簧件、罩子、树脂防渗板和密封树脂。
弹簧件4压力装配在终端3和罩子5的内壁上。通过由弹簧件4施加的持续的压力，使压电谐振器1的一对电极和终端2会相互接触，并电气连接。将外部连接部分2a和3a与终端2和3整体化，并安排得从罩子5朝外延伸。
假设罩子5的内部尺寸为W，元件的总厚度为T，并且弹簧件4的弹簧高度为S。这里，弹簧高度S是弹簧件可以沿厚度方向变形的高度或尺寸，它不包含弹簧件的厚度。
如图3所示，设置了一个区域，该区域由X-Y轴中的虚线指出，其中横轴表示支持压力，竖轴表示弹簧高度。该区域由弹簧高度(SMIN-Smax)和支持压力(FMIN-Fmax)的允许范围围绕而成。在本发明的较佳实施例中，如此设计弹簧件，从而压电谐振器和终端由一个支持压力支持，该支持压力当弹簧高度为SMIN时不大于FMAX，当弹簧高度是SMAX时也不小于FMIN。例如，当Y＝aX+b，a＜0，b＞0其中Y是弹簧高度，X是弹簧压力时，a和b如此确定，从而表示X-Y坐标轴中的等式Y＝aX+b的线通过上述区域的上侧和下侧，如图4所示。
特别地，a和b的值最好满足下面的公式：
a≤(SMAX-SMIN)/(FMIN-FMAX)    (1)
SMAX-aFMIN≤b≤SMIN-aFMAX     (2)
通过如上所述地设计弹簧件，即使发生沿压电谐振器的厚度方向、终端和替换件的振动和罩子内部尺寸的变化，仍然可以得到适当的接触力。因此，通过这样的结构和安排，可以达到具有高电气可靠性的压电元件。即，通过本发明的较佳实施例，可以克服诸如连接差、抗震恶化、装配和生产难、压电谐振器阻尼之类的问题。
在图5中表示为斜线的弹簧件的弹簧常数(＝1/a)可以由弹簧的材料、厚度和其它特性调节。当不改变弹簧常数而使支持压力变化时，可以通过改变弹簧高度调节斜线，如图6所示。按照这样的方法，可以通过设置弹簧常数(斜线)和依赖的弹簧高度的适当组合得到适当的弹簧特性。
另外，在图5和图6中，线“G”是适当的弹簧特性，线“NG”是不适当的弹簧特性。
另外，注意本发明不限于上述线性弹簧特性。还可以使用具有非线性弹簧特性的弹簧件。即，如果弹簧特性具有大致上如图7所示的凸起的形状时，原来的弹簧高度可以降低，这对于装配是有利的。另外，当弹簧高度降低时由弹簧件施加的压力的变化大。这适合于实际使用，并且罩子的内部尺寸可以减小，由此，罩子的尺寸大大减小。
另一方面，如果弹簧件具有大致上凹下形状的弹簧特性B，如图7所示，则原来的弹簧高度非常高。在这种情况下，装配变难，当弹簧高度降低时由弹簧件施加的压力的变化小，这适合于实际使用。当弹簧高度高时可以使用这种元件，但是这引起不利，即，罩子本身变大。
支持压电谐振器的弹簧件的较好的特性的要点如下：
首先，元件的尺寸的和罩子内部的尺寸变化范围，换句话说，即弹簧高度的允许范围SMIN-SMAX应该宽。
第二，当弹簧高度低时由弹簧件施加的压力的变化最好小。
第三，原来的弹簧高度在考虑到装配和产品尺寸时应该小。
考虑到上述情况，具有大致上凸起形状的弹簧特性是较好的。为了使产品的尺寸尽可能小，当元件的厚度是最大，并且罩子的内部最小时，弹簧高度应该设置为0。即，如图8所示，理想地是SMIN＝0。
在本发明的较佳实施例中，不需要由不同于终端的材料形成弹簧件。可以将相同的材料用于弹簧件和终端。对于具有弹簧特性的材料，可以使用诸如橡胶之类的弹性体来代替平板形状的金属弹簧。
图9-11示出一种表面安装型梯形滤波器，它是本发明的较佳实施例的压电元件的例子。
较好地，这种梯形滤波器具有多个元件，并构成了如图12所示的梯形电路。通过分隔壁10a将罩子10的内部范围成两个腔体10b和10c。在一个腔体10b中设置串联谐振器11和12、并联谐振器14、输入终端17、连接终端18的一个电极板部分18a、连接终端19的一个电极板部分19a和接地终端20。在另一个腔体10c中，设置串联谐振器13、并联谐振器15和16、输出终端21、连接终端18的另一个电极板部分18b、连接终端19的另一个电极板部分19b和接地终端22。
串联谐振器11-13和并联谐振器14-16最好都是适合于以方形振动模式振动的压电谐振器，并且电极设置在压电谐振器的前表面和后表面上。
罩子10的一侧通过一个开口敞开。输入终端17的外部连接部分17a和输出终端21的外部连接部分21a分别从开口朝外延伸。将用于防止树脂渗入的板23安装到罩子10的开口，并在上面填密封树脂24。另外，在板23上设置狭缝23a和23b(见图9)，用于引输入终端17和输出终端21的外部连接部分17a和21a。将两个终端牵引孔(draw-through hole)10d和10e设置在罩子10的开口所相对的一侧。接地终端20和22的外部连接部分20a和22a分别从这些牵引孔10d和10e引出。罩子10的终端牵引孔10d和10e也由密封树脂24密封。相应地，实现对罩子10内部的密封。
在填充了树脂24后，如图11所示，从罩子10引出的外部连接部分17a、20a、21a和22a沿罩子10的侧壁朝下弯曲，并且沿罩子10的底表面向里面弯曲。
在这个较佳实施例的梯形滤波器中，最好由曲面形状的弹簧(用作弹簧件)限定输入终端17和接地终端20。连接终端18和19具有这样的结构，它们通过窄的连接件18c和19c，分别整体地连接两个弯曲的电极板部分18a和18b，以及19a和19b。另外，电极板部分18b和19b分别是弯曲的，由此允许连接终端18和19用作弹簧件。由此，由于弹簧件不用作不连续而独立的元件，故可以减小元件的数量，并达到降低成本和减小尺寸。
这里，将解释设计输入终端17、接地终端20和连接终端18和19(它在上述梯形滤波器中是弹簧件)的电极板部分18b和19b的方法。
首先，最好将压电谐振器11-16和终端17-22的厚度变化范围设置在大约2120+/-180(1940-2300)微米，并且最好将罩子10的内部尺寸的变化范围设置在大约2400+/-20(2380-2420)微米。在这种情况下，弹簧高度的范围大约80-480微米，这是因为2380-2300＝80微米，并且2420-2940＝180微米。
在上述梯形滤波器中，由于将两个弹簧件设置在每一个腔体10b和10c中，故弹簧高度的允许范围大约40微米到大约240微米。
另一方面，考虑到压电谐振器的阻尼、抗震、装配和其它的因素，压电谐振器11-16和终端17-22的支持压力(接触压力)的范围最好是大约100g到大约300g。这个范围作为在实践中为压电谐振器的支持压力的适当范围，是已知的。
因此，当弹簧高度为大约40微米时，支持压力的允许范围不大于大约300g，而当弹簧高度大约240微米时，不小于100g。
所述关系将由公式(1)表示。由于SMIN＝40微米，SMAX＝240微米，FMAX＝300g而FMIN＝100g，
a≤(240-40)/(100-300)
即，a≤-0.1(微米/g)
最好是一种由满足上述条件的适当的材料制成，并具有适当的厚度和形状制成的弹簧。例如，当材料是磷铜，形状为弯曲的板时，″a″的值如表1所示，根据厚度为70、100和150微米的情况确定。
表1
    厚度     70微米     100微米     150微米
    a     -1.4     -1.0     -0.7
如从表1中显然的，如果厚度不大于大约100微米，满足上述″a″的条件。在这种情况下，选择厚度为70微米的弹簧(a＝-1.4)。
下面将计算″b″的值。当代替上述值(SMIN＝40微米，SMAX＝240微米，FMAX＝300g，FMIN＝100g)时，公式(2)如下：
240-(-1.4)×100≤b≤40-(-1.4)×300
即，380≤b≤460(微米)
这里，″b″确定是450微米。
如上所述，上述梯形滤波器的弹簧件确定如下：材料：磷铜，厚度：70微米，形状：弯曲板，原来的高度：450微米。
图13示出了如在X-Y坐标轴中确定的弹簧件的弹簧特性，其中横轴表示支持压力，竖轴表示弹簧高度。
如从图13显然的，弹簧特性满足原来的设置范围，它如上所述地确定。换句话说，弹簧特性满足适当的范围。
在本较佳实施例中，最好将弯曲板弹簧用作弹簧件。但是，本发明不限于这种类型的弹簧，还可以使用诸如十字圆盖形等各种其它形状的板状弹簧。
罩子的形状和压电谐振器的形状不限于上述实施例中所提供的情况。另外，在较佳实施例中，最好将终端用作弹簧件。但是，可提供和终端分开的弹簧件。
虽然已经参照本发明的较佳实施例，具体地示出和描述了本发明，熟悉本领域的人将知道，在不背离本发明的主旨的条件下，可以有上述和其它形式上和细节上的修改。

Claims (22)

1.一种制造压电元件的方法，其特征在于包含以下步骤：
设置具有开口的罩子；
将压电谐振器放置到罩子中；
在罩子中安排包含外部连接部分的终端，以便从罩子的开口延伸到罩子的外部；
设计和形成弹簧件；
将弹簧件安排在罩子中，并沿厚度方向保持和压电谐振器以及终端的接触；其中
设计和形成弹簧件的步骤包含步骤：如此设计弹簧件，从而压电谐振器和终端由一个支持压力支持，所述支持压力由弹簧施加，它在这样的范围内，即，当弹簧高度是SMIN时不大于FMAX，并且当弹簧高度是SMAX时不小于FMIN，其中压电谐振器、终端和弹簧件的厚度不小于TMIN的最小值，并且不大于TMAX的最大值，罩子内部的尺寸范围不小于WMIN的最小值，并且不大于WMAX的最大值，压电谐振器和终端的支持压力范围不小于FMIN的最小值，并且不大于FMAX的最大值，SMIN是当压电谐振器、终端和弹簧件的厚度为TMAX的最大值，并且罩子内部的尺寸范围是WMIN的最小值时的弹簧高度，，并且SMAX是当压电谐振器、终端和弹簧件的厚度是TMIN的最小值，罩子内部的尺寸范围是WMAX的最大值时的弹簧高度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于当Y＝aX+b(a＜0，b＞0)，其中Y为弹簧高度，X是弹簧压力，确定a和b的值以满足下面两个公式：
a≤(SMAX-SMIN)/(FMIN-FMAX)和a＜0，b＞0
SMAX-aFMIN≤b≤SMIN-aFMAX
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于压电谐振器的一对电极和终端通过由弹簧件施加的支持压力，相互接触并电气连接。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于外部连接部分和终端成为整体，并且安排得从罩子朝外延伸。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于将弹簧件设计得具有线性弹簧特性。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于将弹簧件设计得具有非线性弹簧特性。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于将弹簧件设计得具有大致上凸起形状的弹簧特性。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于将弹簧件设计得具有大致上凹下形状的弹簧特性。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于弹簧件由不同于终端的材料制成。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于弹簧件由和终端相同的材料制成。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于压电元件是表面安装型梯形滤波器。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于弹簧高度的范围在大约80微米到大约480微米。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于弹簧高度的范围在大约40微米到大约240微米。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于压电谐振器的支持压力的范围最好是大约100g到大约300g。
15.一种设计压电元件的方法，其中所述压电元件包含具有开口的罩子，包含在所述罩子内的压电谐振器，包括从罩子的开口延伸到罩子的外侧的外部连接部分的终端，和安排在罩子中，并保持沿厚度方向与压电谐振器和终端接触的弹簧件，所述方法的特征在于包含步骤：
如此设计弹簧件，从而压电谐振器和终端通过一个支持压力支持，该所述支持压力由弹簧施加，并且当弹簧高度为SMIN时不大于FMAX，并且当弹簧高度是SMAX时不小于FMIN的范围内，其中压电谐振器、终端和弹簧件的厚度范围不小于TMIN的最大值，并不大于TMAX的最小值，罩子的内部尺寸范围是不小于WMIN的最小值，并且不大于WMAX的最大值，压电谐振器和终端的支持压力范围是不小于FMIN的最小值，并且不大于FMAX的最大值，SMIN是当压电谐振器、终端和弹簧件的厚度是TMAX的最大值，并且罩子的内部尺寸是WMIN的最小值时的弹簧高度，并且SMAX是当压电谐振器、终端和弹簧件的厚度是TMIN的最小值，并且罩子的内部尺寸范围是WMAX的最大值时的弹簧高度；及
根据设计弹簧件的步骤中所确定的特性形成弹簧件。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于当Y＝aX+b(a＜0，b＞0)，其中Y是弹簧高度，X是弹簧压力，a和b的值确定得满足下面两个公式：a≤(SMAX-SMIN)/(FMIN-FMAX)和
SMAX-aFMIN≤b≤SMIN-aFMAX
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于弹簧件设计得具有线性弹簧特性。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于弹簧件设计得具有大致上凸起形状的弹簧特性。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于弹簧高度的范围是大约80微米到大约480微米。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于弹簧高度的范围是大约40微米到240微米。
21.如权利要求15所述的方法，其特征在于压电谐振器的支持压力的范围最好是大约100g到大约300g。
22.如权利要求15所述的方法，其特征在于压电元件是表面安装型梯形滤波器。
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