DE10007455B4

DE10007455B4 - Piezoelektrisches akustisches Bauteil

Info

Publication number: DE10007455B4
Application number: DE10007455A
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Nagaokakyo Takeshima; Takeshi Nagaokakyo Kishimoto; Muneyuki Nagaokakyo Daidai; Akihiro Nagaokakyo Nomura; Masayuki Nagaokakyo Fujino
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 2000-02-18
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2020-02-19
Also published as: DE10007455A1; US6445108B1; CN1202509C; CN1264104A

Abstract

Piezoelektrisches akustisches Bauteil aufweisend:
– eine Membran (1), die eine rechtwinklige piezoelektrische Platte (2) mit einer Vorder- und Rückseite, eine auf der Vorderseite angeordnete Elektrode (2a) und eine rechtwinklige Metallplatte (3) aufweist, die mit der Rückseite der rechtwinkligen piezoelektrischen Platte direkt oder über eine auf der Rückseite der rechtwinkligen piezoelektrischen Platte (2) liegende Elektrode (2b) verbunden ist;
– eine Isolierkappe (4), die einen oberen Wandteil (4a), vier Seitenwandteile (4b), die sich von dem oberen Wandteil (4a) erstrecken und zwei Halteteile (4c) aufweist, um die Membran (1) an der Innenseite von zwei einander gegenüberliegenden der vier Seitenwandteile (4b) zu haltern;
– ein plattenförmiges Substrat (10) mit einem ersten und zweiten Elektrodenabschnitt (13, 14), wobei
– die Membran (1) in der Isolierkappe (4) liegt;
– zwei einander gegenüberliegende der vier Seitenkanten der Membran (1) an den beiden Halteteilen (4c) mit Klebstoff (5) oder mit elastischem Dichtungsmaterial...

Description

Diese Erfindung betrifft piezoelektrische akustische Bauteile, z. B. piezoelektrische Summer und piezoelektrische Kopfhörer.

Beschreibung des Standes der Technik

In elektronischen Vorrichtungen, elektrisch betriebenen Haushaltsgeräten, tragbaren Telefonen oder piezoelektrischen Kopfhörern werden häufig piezoelektrische Bauteile als Summer oder als Kopfhörer eingesetzt, welche einen Warnton oder einen Betriebston erzeugen.

Diese Art eines piezoelektrischen akustischen Bauteils ist beispielsweise in den ungeprüften japanischen Patentschriften Nr. 7-107 593 und 7-203 590 beschrieben. Das piezoelektrische akustische Bauteil hat eine Membran des unimorphen Typs, die eine kreisförmige piezoelektrische Platte und eine an einer Elektrode der kreisförmigen piezoelektrischen Platte angebrachte kreisförmige Metallplatte aufweist. Die kreisförmige Metallplatte der Membran ist an ihrem Außenrand in einem kreisförmigen Gehäuses gehaltert, und die Öffnung des kreisförmigen Gehäuses ist von einem Deckel abgedichtet.

Wenn jedoch eine solche kreisförmige Membran verwendet wird, können Schwierigkeiten, wie z. B. eine schlechte Her stellungseffizienz und eine geringe akustische Wandlungsleistung auftreten. Somit ist die Herstellung eines kompakten piezoelektrischen Bauteils schwierig.

Nachstehend wird das Problem der schlechten Herstellungseffizienz erläutert.

Wie die beiliegende 1 zeigt, wird bei dem Herstellungsprozess eines eine kreisförmige Membran verwendenden piezoelektrischen akustischen Bauteils ein Rohblatt 40 mit einem Stanzwerkzeug 41 ausgestanzt, um kreisförmige piezoelektrische Platten 42 herzustellen. Als nächstes wird eine kreisförmige Metallplatte 43 an einer Elektrode auf einer Seite jeder kreisförmigen piezoelektrischen Platte 42 aufgebracht. Wenn zwischen den Elektroden auf beiden Seiten der kreisförmigen piezoelektrischen Platte 42 ein elektrisches Feld mit einer hohen Gleichspannung angelegt und die piezoelektrische Platte polarisiert wird, erhält man eine Membran 44. Die Membran 44 wird in einem Gehäuse 45 untergebracht und dann werden Leitungsdrähte 46 und 47, die jeweils mit der Metallplatte 43 und der anderen Oberflächenelektrode der piezoelektrischen Platte 42 verbunden sind, aus dem Gehäuse 45 herausgeführt.

Wenn jedoch die kreisförmige piezoelektrische Platte 42, wie oben geschildert, aus einem Rohblatt 40 ausgestanzt wird, entsteht eine Menge Stanzreste, und die Materialausbeute ist schlecht. Darüber hinaus ist die Prozesseffizienz schlecht, da nach dem Stanzvorgang die einzelnen Prozesse der Elektrodenbildung und Polarisation usw. nötig sind. Weiterhin muss das Stanzwerkzeug 41 zum Ausstanzen der kreisförmigen piezoelektrischen Platten 42 aus dem Roh blatt 40 abhängig von der Abmessung des Elements hergestellt werden, um die durch das Design geforderte Abmessung für jede Bauteilgröße festzulegen. Deshalb war allgemein die Produktionseffizienz gering.

Nachstehend wird das Problem der geringen akustischen Wandlungsleistung erläutert.

Wie 2A zeigt, liegt bei einer kreisförmigen Membran, da diese Membran 44 an ihrem Umfangsrand im Gehäuse 45 gehalten ist, der Punkt P maximaler Auslenkung ausschließlich im Zentrum der Membran 44. Deshalb ist das Auslenkungsvolumen klein und auch der Wirkungsgrad bei der akustischen Wandlung gering. Dies bedeutet den Nachteil, dass der Schalldruck bezogen auf die Eingangsenergie verhältnismäßig klein ist.

Außerdem ist die erzeugte Frequenz hoch, da der Umfangsrand der Membran eingespannt ist. Wenn man eine piezoelektrische Membran zur Emission kleiner Frequenzen herstellen wollte, müsste nachteiligerweise deren Radius groß werden.

Aus der JP 10-200994 A ist ein piezoelektrischer akustischer Transducer mit einem Isoliergehäuse mit einem oberen Wandteil und vier Seitenwänden bekannt. Der Transducer besitzt eine Membran bestehend aus einer piezoelektrischen Schicht und einer rechteckigen Metallplatte. Die JP 61-019210 A zeigt ein piezoelektrisches Bauteil mit einer rechteckigen piezoelektrischen Platte, die nur über zwei gegenüberliegende Kanten mit zwei Seitenwänden eines Gehäuses verbunden ist, so dass die beiden anderen Kanten frei beweglich sind. Die Elektroden der piezoelektrischen Platte sind dabei über elektrisch leitfähige Seitenwände auch mit dem Boden des Gehäuses verbunden. Weiterhin beschreibt die JP 01-081404 A ein piezoelektrisches Bauteil mit einer rechteckigen und mit Elektroden ausgestatteten piezoelektrischen Platte, die an zwei Enden über Lötpunkte mit auf einem Substrat befindlichen Elektroden verbunden ist. Schließlich beschreibt die JP 08-139426 A ein piezoelektrisches Bauteil, welches ein Isoliergehäuse mit einem Bodenwandteil, vier Seitenwänden und Elektroden aufweist. Eine rechteckige piezoelektrische Platte ist über elektrisch leitfähige Klebepunkte an ihren zwei kurzen Seiten mit den Elektroden auf dem Bodenwandteil verbunden, wobei ein Deckel zum Verschließen des Isoliergehäuses dient.
Bei den aus den genannten Druckschriften bekannten piezoelektrischen Bauteilen sind die zuvor genannten Probleme der schlechten Herstellungseffizienz und der geringen akustischen Wandlungsleistung jedoch nicht in zufriedenstellender Weise gelöst.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes piezoelektrisches akustisches Bauteil zu schaffen, das die genannten Probleme des Standes der Technik vermeidet und letzteren in vorteilhafter Weise weiterbildet. Insbesondere soll ein piezoelektrisches akustisches Bauteil mit hoher Produktionseffizienz und günstiger akustischer Wandlungsleistung geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein piezoelektrisches Bauteil gemäß Patentanspruch 1 sowie ein piezoelektrisches Bauteil gemäß Patentanspruch 5 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Insbesondere besitzt das hier vorgeschlagene piezoelektrische akustische Bauteil also

– eine Membran, die eine rechtwinklige piezoelektrische Platte mit einer Vorder- und Rückseite, eine auf der Vorderseite angeordnete Elektrode und eine rechtwinklige Metallplatte aufweist, die mit der Rückseite der rechtwinkligen piezoelektrischen Platte direkt oder über eine auf der Rückseite der rechtwinkligen piezoelektrischen Platte liegende Elektrode verbunden ist;
– eine Isolierkappe, die einen oberen Wandteil, vier Seitenwandteile, die sich von dem oberen Wandteil erstrecken und zwei Halteteile aufweist, um die Membran an der Innenseite von zwei einander gegenüberliegenden der vier Seitenwandteile zu haltern;
– ein plattenförmiges Substrat mit einem ersten und zweiten Elektrodenabschnitt, wobei
– die Membran in der Isolierkappe liegt;
– zwei einander gegenüberliegende der vier Seitenkanten der Membran an den beiden Halteteilen mit einem Klebstoff oder mit elastischem Dichtungsmaterial fixiert sind;
– eine Lücke zwischen den anderen beiden Seitenkanten der Membran und der Kappe durch elastisches Dichtungsmaterial abgedichtet ist;
– ein akustischer Raum zwischen der Membran und dem oberen Wandteil der Isolierkappe definiert ist;
– eine Öffnungskante der vier Seitenwandteile der Isolierkappe mit dem Substrat verbunden ist;
– die Metallplatte elektrisch mit dem ersten Elektrodenabschnitt verbunden ist; und
– die auf der Vorderseite der rechtwinkligen piezoelektrischen Platte liegende Elektrode elektrisch mit dem zweiten Elektrodenabschnitt verbunden ist.

Da die piezoelektrische Platte rechtwinklig ist, bleibt auch, wenn die piezoelektrische akustische Platte aus einem Rohblatt ausgestanzt wird, die Abfallmenge des nach dem Ausstanzen verbleibenden Rests des Rohblatts gering und deshalb ist die Materialausnutzung gut.

Da außerdem der Prozess der Elektrodenbildung, die Polarisation usw. im Zustand des Muttersubstrats ausgeführt werden kann, ist die Herstellungseffizienz ausreichend hoch.

Da weiterhin die benötigte Größe der piezoelektrischen Platte durch die Schnittmaße des Muttersubstrats bestimmt ist, braucht kein für jede Größe der piezoelektrischen Platte spezielles Stanzwerkzeug hergestellt werden.

Anders gesagt, sind im Vergleich mit dem Stand der Technik, bei dem eine Anzahl von Schritten zum Ausstanzen eines Rohblatts nötig war, beim Schneiden eines Muttersubstrats weniger Schritte notwendig, wobei sich auch die Anzahl von Stanzwerkzeugen für die verschiedenen Arten piezoelektrischer Körper verringert. Dadurch lassen sich die Aufwendungen für die Investition verringern und die Herstellungseffizienz erhöhen.

In dieser Erfindung sind zwei einander gegenüberliegende von den vier Seitenkanten der Membran an zwei Halteteilen fixiert, und die Lücke zwischen den anderen beiden Seitenkanten der Membran und dem Deckel wird durch ein elasti sches Dichtungsmaterial abgedichtet. Wenn ein Signal vorbestimmter Frequenz zwischen der Metallplatte und der auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte angeordneten Elektrode angelegt wird, dehnt sich die piezoelektrische Platte in vorbestimmter Richtung aus, und die Membran wird in einem Längsbiegemodus verformt. In diesem Fall hat der Vibrationsmodus der Membran zwei Knoten an den beiden durch die Halteteile am Deckel fixierten Enden. Und außerdem gibt es, wie 2B zeigt, Punkte P maximaler Auslenkung entlang der Mittellinie in Längsrichtung der Membran.

D. h., dass sich das Auslenkungsvolumen im Vergleich mit der herkömmlichen kreisscheibenförmigen Membran vergrößert. Da dieses Auslenkungsvolumen die Energie für den Schall liefert, erhöht sich dadurch die akustische Wandlungsleistung.

Bei dem oben beschriebenen piezoelektrischen akustischen Bauteil wird die Lücke zwischen den andern beiden Seitenkanten der Membran und dem Deckel durch elastisches Dichtungsmaterial abgedichtet. Aufgrund der Elastizität des elastischen Dichtungsmaterials ist die Vibration der Membran nicht gestört und der Schalldruck nicht verringert.

Außerdem lässt sich im Vergleich mit einer herkömmlichen Kreisscheibenmembran eine niedrigere Frequenz erzeugen, da die Membran nur an zwei ihrer Seitenkanten fixiert ist, und die Membran zwischen diesen beiden Seitenkanten frei ausgelenkt werden kann. Alternativ lässt sich, wenn dieselbe Frequenz gewünscht ist, die Größe des piezoelektrischen akustischen Bauteils verringern.

Bei dieser Erfindung hat der Klebstoff in ausgehärtetem Zustand einen hohen Youngmodul und klemmt deshalb die Kantenteile der Membran sehr stark fest.

Darüber hinaus hat das elastische Dichtungsmaterial im ausgehärteten Zustand einen kleinen Youngmodul und klemmt deshalb die Membran schwach genug, um die Vibration desselben nicht zu behindern. Wenn elastische Dichtungsmaterialien mit starker Klebekraft zum Verbinden der Membran mit dem Deckel zur Verfügung stehen, lässt sich auch ein solches elastisches Dichtungsmaterial statt des Klebstoffs verwenden.

3 ist ein Vergleichsdiagramm, das die Beziehung zwischen einer kreisförmigen Membran und einer rechtwinkligen Membran zeigt. Wie 3 deutlich macht, kann die rechtwinklig geformte Membran im Vergleich mit der kreisförmig geformten Membran kleiner sein (Länge, Durchmesser). Wenn die Abmessungen dieselben sind, lässt sich mit der rechtwinkligen Membran eine kleinere Resonanzfrequenz erreichen. Zur Durchführung dieses Vergleichs wurde PZT in einer Dicke von 50 μm für die piezoelektrische Platte verwendet und für die Metallplatte 42Ni in einer Dicke von 50 μm. Weiterhin war das Verhältnis der Länge L zur Breite W der rechtwinkligen Membran 1,67.

Bei dem oben beschriebenen piezoelektrischen akustischen Bauteil ist die Isolierkappe, die die Membran festhält, mit dem plattenförmigen Substrat, die Metallplatte ist elektrisch mit dem ersten Elektrodenabschnitt und die auf der Vorderseite der rechtwinkligen piezoelektrischen Platte liegende Elektrode ist elektrisch mit dem zweiten Elek trodenabschnitt verbunden. Dadurch erhält man ein piezoelektrisches akustisches Bauteil. Zusätzlich lässt sich das piezoelektrische akustische Bauteil als ein zur Oberflächenmontage geeignetes Bauteil dadurch ausbilden, dass man den ersten und zweiten Elektrodenabschnitt bis auf die Rückseite des Substrats verlängert.

Bevorzugt ist die piezoelektrische Platte auf der Metallplatte derart angeordnet, dass die jeweils längeren Seitenkanten der piezoelektrischen Platte und der Metallplatte zueinander ausgerichtet sind, und die jeweiligen kürzeren Seitenkanten der piezoelektrischen Platte und der Metallplatte sind ebenfalls zueinander ausgerichtet und zwar so, dass die auf der Metallplatte liegende piezoelektrische Platte mehr zu der einen kürzeren Seitenkante der Metallplatte hin verschoben ist, an der die Metallplatte vom Halteteil der Isolierkappe gehalten ist; ein frei liegender Bereich ist um die andere kürzere Seitenkante der Metallplatte herum vorgesehen und die Membran an dem Halteteil der Isolierkappe so fixiert, dass die Metallplatte dem oberen Wandteil des Isolierdeckels gegenüber liegt.

Es ist auch möglich, die Membran an den Halteteilen der Isolierkappe so zu befestigen, dass die piezoelektrische Platte dem oberen Wandteil der Isolierkappe gegenüber liegt. In diesem Fall ist jedoch die Verbindung der auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte liegenden Elektrode mit dem zweiten Elektrodenabschnitt des Substrats schwierig. Andererseits liegt, wenn die Membran an den Halteteilen der Isolierkappe so befestigt ist, dass die Metallplatte ihrem oberen Wandteil gegenüber liegt, die auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte angebrachte Elektrode dem Substrat gegenüber, und dadurch lässt sich die auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte liegende Elektrode leicht mit dem zweiten Elektrodenabschnitt des Substrats verbinden. Da weiterhin der frei liegende Bereich der Metallplatte an einer Seitenkante der Membran liegt, lässt sich die Metallplatte einfach mit dem ersten Elektrodenabschnitt des Substrats verbinden.

Bevorzugt ist die Metallplatte mit dem ersten Elektrodenabschnitt durch einen elektrisch leitenden Kleber verbunden, und die auf der Vorderseite der rechtwinkligen piezoelektrischen Platte liegende Elektrode ist ebenfalls durch elektrisch leitenden Kleber mit dem zweiten Elektrodenabschnitt verbunden. In diesem Fall lässt sich der Vorgang, durch den die Isolierkappe mit dem Substrat verbunden wird, gleichzeitig mit dem Prozess der elektrischen Verbindung der Metallplatte mit dem ersten Elektrodenabschnitt und dem Prozess der elektrischen Verbindung der auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte liegenden Elektrode mit dem zweiten Elektrodenabschnitt ausführen. Auf diese Weise wird der Verbindungsprozess vereinfacht.

Bevorzugt besteht das elastische Dichtungsmaterial aus einem Isoliermaterial und ist an allen vier Seitenkanten der Membran vorgesehen. Es muss erwähnt werden, dass es sehr leicht zu einem Kurzschluss bei der Verbindung der auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte liegenden Elektrode mit dem zweiten Elektrodenabschnitt durch den elektrisch leitenden Kleber kommen kann, weil die Metallplatte und die auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte liegende Elektrode sehr nahe aneinander liegen. Wenn das elastische Dichtungsmaterial am Rand der Metallplatte zuvor aufge bracht wird, kann ein solcher Kurzschluss vermieden werden. Außerdem lässt sich durch Abdichtung aller vier Seitenkanten der Membran ein Luftleck verhindern und dadurch der Schalldruckwert erhöhen.

Damit das elastische Dichtungsmaterial auf alle vier Seitenkanten der Membran aufgebracht werden kann, wird ein Verfahren, mit dem die Membran am Isolierdeckel ausschließlich durch das elastische Dichtungsmaterial (ohne Klebstoff zu verwenden) angebracht wird, und ein Verfahren zum Aufbringen des elastischen Dichtungsmaterials über den beiden Seitenkanten der Membran, die mit dem Klebstoff fixiert sind, angewendet. Letzteres Verfahren ist vorteilhaft, wenn sich lediglich durch Kleber ein Luftleck nicht vermeiden lässt.

Eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung sieht vor:

– Eine Membran, die eine rechtwinklige piezoelektrische Platte mit einer Vorder- und Rückseite, eine auf der Vorderseite angeordnete Elektrode und eine mit der Rückseite der rechtwinkligen piezoelektrischen Platte direkt oder über eine auf der Rückseite der piezoelektrischen Platte angeordnete Elektrode verbundene Metallplatte aufweist;
– ein Isoliergehäuse, das einen Bodenwandteil, vier Seitenwandteile, die vom Bodenwandteil ragen, zwei Halteteile zur Halterung der Membran an der Innenseite von zwei einander gegenüberliegenden der vier Seitenwandteile und einen ersten und zweiten Elektrodenabschnitt zur Verbindung nach außen aufweist, die auf zwei der vier Seitenwandteile angeordnet sind; und
– einen Deckel, der ein Schallemissionsloch enthält, wobei
– die Membran im Isoliergehäuse liegt;
– zwei einander gegenüberliegende der vier Seitenkanten der Membran durch einen Klebstoff oder elastisches Dichtungsmaterial an den beiden Halteteilen fixiert sind;
– eine Lücke zwischen den anderen beiden Seitenkanten der Membran und dem Gehäuse durch elastisches Dichtungsmaterial abgedichtet ist,
– die Metallplatte elektrisch leitend mit dem ersten Elektrodenabschnitt verbunden ist,
– die auf der Vorderseite der rechtwinkligen piezoelektrischen Platte liegende Elektrode elektrisch mit dem zweiten Elektrodenabschnitt verbunden ist und
– eine Öffnungskante des Isoliergehäuses mit dem Deckel verbunden ist.

Das oben beschriebene piezoelektrische akustische Bauteil vermeidet auch die im Zusammenhang mit der vorigen Ausführungsform beschriebene Schwierigkeit.

Bei diesem piezoelektrischen akustischen Bauteil wird die Öffnung des Isoliergehäuses, in dem sich die Membran befindet, durch den Deckel abgedichtet. Außerdem ist die Metallplatte elektrisch mit dem ersten Elektrodenabschnitt verbunden, und die auf der Vorderseite der rechtwinkligen piezoelektrischen Platte liegende Elektrode ist elektrisch mit dem zweiten Elektrodenabschnitt verbunden. Damit erhält man ein piezoelektrisches akustisches Bauteil. Zusätzlich lässt sich das piezoelektrische Bauteil auch so gestalten, dass es für die Oberflächenmontage geeignet ist, indem man den ersten und zweiten Elektrodenabschnitt zur Rückseite des Substrats verlängert.

Bei diesem piezoelektrischen akustischen Bauteil kann wenigstens einer der Elektrodenabschnitte für die Verbindung nach außen ein Elektrodenfilm sein, der auf der Oberfläche des Isoliergehäuses vorgesehen ist und sich vom Halteteil bis zur Bodenfläche des Isoliergehäuses erstreckt. Statt dessen kann wenigstens einer der Elektrodenabschnitte zur Verbindung nach außen ein Metallanschluss sein, der am Isoliergehäuse befestigt ist und sich vom Halteteil zur Bodenfläche des Isoliergehäuses erstreckt. In diesem Fall kann der Metallanschluss am Isoliergehäuse durch Bondieren, Crimpen oder Einstecken fixiert sein.

Die piezoelektrische Platte ist bevorzugt auf der Metallplatte derart angeordnet, dass die jeweils längeren Seitenkanten der piezoelektrischen Platte und der Metallplatte zueinander ausgerichtet sind, und die jeweiligen beiden kürzeren Seitenkanten der piezoelektrischen Platte und der Metallplatte sind ebenfalls zueinander ausgerichtet und zwar so, dass die piezoelektrische Platte auf der Metallplatte mehr zu derjenigen kürzeren Seitenkante der Metallplatte verschoben ist, an der die Metallplatte am Halteteil des Isoliergehäuses gehalten ist; ein freiliegender Bereich ist an der anderen kürzeren Seitenkante der Metallplatte gebildet, und die Membran ist an den Halteteilen des Isoliergehäuses derart befestigt, dass die Metallplatte dem Bodenwandteil des Isolierdeckels gegenüberliegt. Weiterhin bevorzugt ist der frei liegende Bereich mit dem ersten Elektrodenabschnitt verbunden, und die auf der Vorderseite der rechtwinkligen piezoelektrischen Platte angeordnete Elektrode ist elektrisch mit dem zweiten Elektrodenabschnitt durch einen elektrisch leitenden Klebstoff verbunden.

Es ist möglich, die Membran an den Halteteilen des Isoliergehäuses so zu befestigen, dass die piezoelektrische Platte dem Bodenwandteil des Isoliergehäuses gegenüber liegt. Jedoch gibt es in diesem Fall Schwierigkeiten bei der Verbindung der auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte angeordneten Elektrode mit dem zweiten Elektrodenabschnitt des Substrats, da die auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte liegende Elektrode nach oben nicht frei liegt.

Andererseits liegt die auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte befindliche Elektrode zur oberen Seite frei, wenn, wie bevorzugt, die Membran an den Halteteilen des Isoliergehäuses so befestigt ist, dass die Metallplatte dem Bodenwandteil des Isoliergehäuses gegenüber liegt und dadurch lässt sich die auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte liegende Elektrode leicht und einfach mit dem zweiten Elektrodenabschnitt des Substrats verbinden. Da weiterhin der frei liegende Bereich der Metallplatte an der anderen Seitenkante der Membran frei liegt, lässt sich die Metallplatte einfach und leicht mit dem ersten Elektrodenabschnitt des Substrats verbinden.

Es muss bemerkt werden, dass der Vorgang, mit dem die Metallplatte mit dem zweiten Elektrodenabschnitt des Substrats verbunden wird, und der Vorgang der Fixierung der Membran an den Halteteilen des Isoliergehäuses gleichzeitig ausgeführt werden können. D. h., dass elektrisch leitender Klebstoff beim Fixieren der Enden der Membran an der Seite des frei liegenden Bereichs mit den Halteteilen verwendet werden kann.

Bevorzugt besteht das elastische Dichtungsmaterial aus einem isolierenden Material und es ist an allen vier Seitenkanten der Membran angebracht. Es muss bemerkt werden, dass es mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit beim Verbinden der auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte mit dem zweiten Elektrodenabschnitt durch elektrisch leitenden Kleber zu einem Kurzschluss kommen kann, weil die Metallplatte und die auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte liegende Elektrode nahe beieinander liegen. Wenn elastisches Dichtungsmaterial im Randbereich der Metallplatte zuvor angebracht wird, lässt sich ein derartiger Kurzschluss verhindern. Außerdem wird durch die Abdichtung aller vier Seitenkanten der Membran ein Luftleck vermieden und dadurch der Schalldruckwert verbessert.

Zum Anbringen des elastischen Dichtungsmaterials an den vier Seitenkanten der Membran kann ein Verfahren, mit dem die Membran an der Isolierkappe ausschließlich durch das elastische Dichtungsmaterial (ohne Klebstoff zu verwenden) angebracht wird, und ein Verfahren, das elastisches Dichtungsmaterial über den beiden Seitenkanten der Membran aufbringt, die durch Klebstoff fixiert werden, angewendet werden. Das letztere Verfahren hat Vorteile, wenn sich ein Luftleck ausschließlich durch Auftragen von Klebstoff nicht verhindern lässt.

Andere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung derselben noch deutlicher, die sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht.
Die 1A, 1B und 1C zeigen Schritte des Herstellungsprozesses eines piezoelektrischen Summers des Standes der Technik.
Die 2A und 2B sind Vergleichsansichten, die die Auslenkungsverteilung jeweils einer kreisförmigen Membran und einer rechtwinkligen Membran zeigen.
3 ist ein Vergleichsdiagramm, das die Beziehung zwischen einer kreisförmigen Membran und einer rechtwinkligen Membran zeigt.
4 zeigt in perspektivischer Darstellung einen piezoelektrischen akustischen Summer einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung.
5 ist eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie X-X von 4.
6 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie Y-Y von 4.
7 ist eine perspektivische Ansicht einer Membran.
8 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines piezoelektrischen akustischen Summers einer zweiten Ausführungsform, in der man eine Kappe und eine Membran desselben von der Rückseite sieht.
9 ist eine perspektivische Ansicht der Kappe und der Membran des piezoelektrischen akustischen Summers von 8 im fertigen Zustand von der Rückseite aus gesehen.
10 ist eine Explosionsdarstellung des piezoelektrischen akustischen Summers der zweiten Ausführungsform der Erfindung
11 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen akustischen Bauteils einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
12 zeigt perspektivisch einen piezoelektrischen akustischen Summer einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
13 ist eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie X-X von 12.
14 ist eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie Y-Y von 12.
15 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung des in 12 gezeigten piezoelektrischen akustischen Summers.
16 ist eine perspektivische Ansicht einer Membran.
17 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines piezoelektrischen akustischen Bauteils einer fünften Ausführungsform.
18 ist eine perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen akustischen Bauteils einer sechsten Ausführungsform der Erfindung.
19 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung des in 18 gezeigten piezoelektrischen akustischen Bauteils.
20 ist eine perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen akustischen Bauteils einer siebten Ausführungsform der Erfindung.
21 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung des in 20 gezeigten piezoelektrischen akustischen Bauteils.
22 ist eine Schnittansicht des Isoliergehäuses des in 20 gezeigten piezoelektrischen akustischen Bauteils.
23 ist eine Rückansicht des Isoliergehäuses des piezoelektrischen akustischen Bauteils von 20.
Die 4–7 zeigen einen piezoelektrischen Summer, der eine erste Ausführungsform eines piezoelektrischen akustischen Bauteils dieser Erfindung ist.
Der piezoelektrische Summer enthält eine Membran 1 einer unimorphen Art, eine Kappe 4 und ein Substrat 10.
Die Membran 1 weist eine rechtwinklig geformte piezoelektrische Platte 2 und eine rechtwinklige Metallplatte 3 auf, wie sie in 7 dargestellt sind. Elektroden 2a und 2b aus Dünnfilm oder Dickfilm liegen jeweils auf der Vorder- und Rückseite der piezoelektrischen Platte 2, und die piezoelektrische Platte 2 ist in Dickenrichtung polarisiert. Die rechtwinklige Metallplatte ist derart geformt, dass ih re Breite dieselbe ist, wie die der piezoelektrischen Platte 2, und dass ihre Länge etwas größer ist als die der piezoelektrischen Platte 2.
Die Rückseitenelektrode 2b kann wegfallen, wenn die Metallplatte 3 direkt mit der Rückseite der piezoelektrischen Platte mit elektrisch leitendem Klebstoff o. ä. verbunden ist.
In dieser Ausführungsform liegt die piezoelektrische Platte 2 auf der Metallplatte 3 derart, dass jeweils ihre beiden längeren Seitenkanten und jeweils ihre beiden kürzeren Seitenkanten zueinander ausgerichtet sind. D. h., dass die piezoelektrische Platte 2 auf der Metallplatte 3 so liegt, dass sie mehr zu der einen kürzeren Seitenkante der Metallplatte 3 hin liegt. Dadurch entsteht ein freiliegender Bereich 3a an der anderen kürzeren Seitenkante der Metallplatte 3.
Für die piezoelektrische Platte 2 kann ein piezoelektrisches Keramikmaterial, wie z. B. PZT, verwendet werden. Bevorzugt besteht die Metallplatte aus einem elektrisch sehr gut leitenden Material mit hoher Federelastizität. Insbesondere wird dafür ein Material bevorzugt, dessen Youngmodul nahe dem der piezoelektrischen Platte 2 liegt. Deshalb kann z. B. Phosphorbronze, 42Ni usw. verwendet werden. Zusätzlich ist, wenn die Metallplatte 3 aus 42Ni besteht, eine hohe Zuverlässigkeit erzielt, da der Wärmeausdehnungskoeffizient von 42Ni nahe des Wärmedehnungskoeffizienten von Keramik (PZT usw.) liegt.
Die oben erwähnte Membran 1 lässt sich mit folgenden Methoden herstellen.
Zunächst wird aus einem Keramikrohblatt mittels eines Stanzwerkzeugs ein rechtwinkliges Muttersubstrat ausgestanzt und die Elektrodenausbildung und die Polarisation wird auf diesem Muttersubstrat durchgeführt.
Dann wird das Muttersubstrat auf einer Mutterplatte aus Metall mit elektrisch leitendem Kleber befestigt.
Dann wird die Muttermetallplatte und das damit verbundene Muttersubstrat in rechtwinklige Form entlang Schnittlinien in X- und Y-Richtung mittels eines Schneidewerkzeugs geschnitten, und damit erhält man viele Membranen.
Auf diese Weise lässt sich die Materialausnutzung und die Produktionseffizienz durch Verwendung der rechtwinklig geformten Metallplatte 3 und der rechtwinklig geformten piezoelektrischen Platte 2 steigern. Dadurch lassen sich auch die Installationskosten verringern.
Die oben geschilderte Membran 1 ist mit ihren kürzeren Seitenkanten in der darüber gestülpten Kappe 4 fixiert.
Die Kappe 4 besteht aus Isoliermaterial, z. B. Keramik oder Harz, und hat eine durch einen oberen Wandteil 4a und vier Seitenwandteile 4b definierte Kastenform.
Zwei Halteteile 4c, die die beiden Enden der Membran 1 halten, sind jeweils einstückig mit der Kappe 4 im Inneren von zwei der vier Seitenwandteile 4b einander gegenüberliegend geformt.
Der Halteteil 4c ist so klein wie möglich gemacht, um einen höheren Schalldruck zu erhalten. Dies deshalb, da höherer Schalldruck eine niedrigere Resonanzfrequenz ermöglicht.
Wenn die Kappe 4 aus Harz besteht, ist wärmewiderstandsfähiges Harz, wie z. B. LCP (Flüssigkristallpolymer), SPS (Syndiotaktikpolystyrol), PPS (Polyphenylsulfid) oder Epoxidharz bevorzugt.
Ein Schallemissionsloch 4d liegt im Mittelabschnitt des oberen Wandteils 4a. Außerdem sind zwei Nockenteile 4e an der Kante der beiden Seitenwandteile 4b an der Öffnungsseite der Kappe 4 vorgesehen. Weiterhin ist ein Dämpfungsloch 4f an der Kante des noch übrigen einen Seitenwandteils 4b an der Öffnungsseite der Kappe 4 gebildet.
Eine Membran 1 ist innerhalb der Kappe 4 so enthalten, dass die Metallplatte 3 gegenüber dem oberen Wandteil 4a liegt, wie 5 zeigt. Die beiden kürzeren Seitenkanten der Membran 1 sind jeweils an den beiden Halteteilen 4c angebracht und durch einen Klebstoff 5 fixiert. Bekannte isolierende Klebstoffe, wie z. B. aus der Epoxidgruppe, Urethangruppe und Silikongruppe, können als Klebstoff 5 verwendet werden.
In dem oben beschriebenen Zustand sind schmale Lücken zwischen den jeweils längeren Seitenkanten der Membran 1 und der Kappe 4 gebildet. Diese Lücken werden durch das elastische Dichtungsmaterial 6 z. B. durch Silikonkautschuk abge dichtet. Dadurch entsteht ein akustischer Raum 7 zwischen der Membran 1 und dem oberen Wandteil 4a der Kappe 4.
Nachdem die Membran 1 in oben beschriebener Weise an der Kappe 4 befestigt ist, wird die Kappe 4 mit dem Substrat 10 verbunden. Das Substrat 10 ist in Form einer rechtwinkligen Platte aus einem Isoliermaterial, wie z. B. Keramik oder Harz, gebildet. Wenn das Substrat 10 aus Harz besteht, kann hitzebeständiges Harz, wie z. B. LCP, SPS, PPS oder Epoxidharz (einschließlich Glasepoxid) verwendet werden.
Die Elektrodenabschnitte 13 und 14 liegen jeweils an den beiden kürzeren Seitenkanten des Substrats 10. Die Elektrodenabschnitte 13 und 14 dienen zur externen Verbindung und erstrecken sich von der Vorderseite zur Substratrückseite durch Durchlassrillen 11 und 12 hindurch.
Eine elektrisch leitende Paste 15 ist auf einer von zwei Nocken 4e aufgebracht, d. h. auf dem freiliegenden Bereich 3a der Metallplatte.
Eine elektrisch leitende Paste 16 liegt auf der anderen der beiden Nocken 4e, d. h. auf der Oberflächenelektrode 2a.
Gemäß 6 ist die Öffnungskante der Kappe 4 durch einen isolierenden Klebstoff 19 mit dem Substrat 10 verbunden.
In diesem Zustand ist der freiliegende Bereich 3a der Metallplatte 3 elektrisch mit einem Elektrodenabschnitt 13 des Substrats 10 durch die elektrisch leitende Paste 15 verbunden. Außerdem ist die Oberflächenelektrode 2a elek trisch mit einem Elektrodenabschnitt 14 des Substrats 10 durch die elektrisch leitende Paste 16 verbunden.
Durch Wärmehärtung oder natürliche Härtung der elektrisch leitenden Pasten 15 und 16 sowie des isolierenden Klebstoffs 19 in den oben beschriebenen Zuständen erhält man ein für die Oberflächenmontage geeignetes piezoelektrisches akustisches Bauteil.
Nach Anlegen eines Wechselstromsignals oder rechteckförmigen Signals vorbestimmter Frequenz an die Elektrodenabschnitte 13 und 14 lässt sich ein vorbestimmter Summerton erzeugen. Dies rührt daher, dass die beiden kürzeren Seitenkanten der Membran 1 jeweils an den beiden Halteteilen 4c der Kappe 4 fixiert sind, und die beiden längeren Seitenkanten der Membran 1 wegen des elastischen Dichtungsmaterials frei ausgelenkt werden können, und dadurch kann die Membran 1 in einem Längsbiegemodus vibrieren, wobei die beiden kürzeren Seitenkanten der Membran 1 eingespannt sind und Schwingungsknoten bilden.
Der Summerton wird durch das Schallemissionsloch 4d der Kappe 4 nach außen abgestrahlt.
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Membran 1 so befestigt, dass die Metallplatte 3 der Membran 1 zum oberen Wandteil 4a der Kappe 4 weist. Anders gesagt, ist die Membran 1 so fixiert, dass der freiliegende Bereich 3a der Metallplatte 3 und die Oberflächenelektrode 2a zum Substrat 10 weisen. Als Ergebnis lässt sich leicht eine Verbindung zwischen dem frei liegenden Bereich 3a und dem Elektrodenabschnitt 13 und eine Verbindung zwischen der Oberflächenelektrode 2a und dem Elektrodenabschnitt 14 durch die elektrisch leitenden Pasten 15 und 16 herstellen.
In der oben beschriebenen Ausführungsform sind die beiden kürzeren Seitenkanten der Membran 1 jeweils mit den zwei Halteteilen 4c der Kappe 4 durch den Klebstoff 5 verbunden, und die beiden längeren Seitenkanten der Membran 1 sind durch das elastische Dichtungsmaterial 6 abgedichtet. Allerdings kann das elastische Dichtungsmaterial 6 auch über den beiden kürzeren Seitenkanten der Membran 1, die mit den beiden Halteteilen 4c der Kappe 4 verbunden sind, vorgesehen sein. Der erste Grund dafür ist, dass die Möglichkeit besteht, dass der elektrisch leitende Kleber 16 anhaften und eine Kurzschluss mit der Metallplatte verursachen kann, wenn die Oberflächenelektrode 2a der piezoelektrischen Platte 2 mit dem Elektrodenabschnitt 14 des Substrats 10 durch den elektrisch leitenden Klebstoff 16 verbunden wird. Das elastische Dichtungsmaterial 6 kann als Isolierfilm an den Randteilen der Metallplatte 3 zur Vermeidung dieses Kurzschlusses vorgesehen sein. Der zweite Grund dafür ist, dass ein Luftleck zwischen der Vorder- und Rückseite der Membran 1 durch Abdichten des gesamten Randteils der Membran 1 durch elastisches Dichtungsmaterial 6 vermieden werden kann.
Die 8 bis 10 zeigen eine zweite Ausführungsform dieser Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die Membran 1 in der Kappe 4 enthalten, und die vier Seitenkanten der Membran 1 sind durch das elastische Dichtungsmaterial 6 abgedichtet. In diesem Fall sind die kürzeren Seitenkanten der Membran 1 an den Halteteilen 4c mit dem elastischen Dichtungsmaterial 6 und nicht mit Klebstoff 5 fixiert. Des halb sind die kürzeren Seitenkanten der Membran 1 im Vergleich mit der ersten Ausführungsform nur schwach eingespannt, und die Auslenkung der Membran 1 ist erhöht. In Folge dessen lässt sich der Schalldruck steigern.
Außerdem sind bei dieser Ausführungsform die elektrisch leitfähigen Pasten 15 und 16 an den kürzeren Seitenkanten der Membran 1 angebracht und dieselbe Art elektrisch leitender Pasten 17 und 18 jeweils den elektrisch leitenden Pasten 15 und 16 gegenüberliegend über den Elektrodenabschnitten 13 und 14 des Substrats 10 vorgesehen. Demgemäß kann die elektrische Verbindung zwischen der Membran 1 und den Elektrodenabschnitten 13 und 14 des Substrats 10 zuverlässig hergestellt werden, wenn die Kappe 4 mit dem Substrat 10 verbunden wird. Darüber hinaus muss die Kappe 4 am Substrat 10 nicht vor dem Härten der elektrisch leitenden Pasten 15 und 16 fixiert werden. Es ist möglich, die Kappe 4 mit dem Substrat 10 nach Aufbringen der elektrisch leitenden Pasten 15 und 16 auf der Membran 1 und ihrem Aushärten zu verbinden.
11 zeigt die dritte Ausführungsform dieser Erfindung, in der das piezoelektrische akustische Bauteil als ein Typ mit Zuleitungsdrähten gebildet ist. In dieser Ausführungsform ist das Substrat 10 in seiner Längsrichtung verlängert und hat einen Verlängerungsteil 10a. Die beiden Elektrodenabschnitte 13 und 14 ragen vom Verbindungsabschnitt der Kappe 4 nach draußen und lassen den Verlängerungsteil 10a frei. Die Leitungsanschlüsse 20 und 21 sind jeweils mit diesen Elektrodenabschnitten 13 und 14 durch Löten oder ähnliches verbunden.
In diesem Fall werden die Membran 1 und die Kappe 4 verwendet, die absolut identisch mit den in den 4 bis 10 sind. Ein piezoelektrisches akustisches Bauteil mit Zuleitungsdrähten lässt sich somit lediglich durch die Veränderung der Form des Substrats 10 und der Elektrodenabschnitten 13 und 14 herstellen. Da außerdem der Montageprozess nicht mit Schmelzlötung ausgeführt wird, kann ein wenig wärmewiderstandsfähiges Material für die Kappe 4 und das Substrat 10 eingesetzt werden.
In den oben beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsformen ist die Kappe 4, in der eine einzelne Membran 1 fixiert ist, mit dem einzelnen Substrat 10 verbunden. Jedoch lassen sich in der Kappe 4 durch Trennwände oder ähnliches auch mehrere Räume erzeugen und darin mehrere Membranen 1 mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen unterbringen und dann die Kappe 4, die die Membranen 1 enthält mit einem einzelnen Substrat 10 verbinden. In diesem Fall lässt sich mit jeder Membran 1 ein unterschiedlicher Ton erzeugen, wenn individuelle, den jeweiligen Membranen entsprechende einzelne Elektrodenabschnitte auf dem Substrat 10 angebracht und jeweils einzeln mit den Membranen verbunden sind.
Außerdem kann die Form der Metallplatte und der piezoelektrischen Platte nicht nur rechteckförmig sondern auch quadratisch sein.
Weiterhin ist in der oben beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsform die Membran von unimorpher Art, bei der eine auf einer Seite einer Metallplatte angeordnete piezoelektrische Platte verwendet wird. Jedoch lässt sich auch eine bimorphe Membran verwenden, in der zwei piezoelektrische Platten auf beiden Seiten einer Metallplatte angeordnet sind.
Weiterhin dient zur Verbindung der Metallplatte mit dem ersten Elektrodenabschnitt und zur Verbindung der anderen Oberflächenelektrode der piezoelektrischen Platte mit dem zweiten Elektrodenabschnitt der elektrisch leitende Klebstoff (elektrisch leitende Paste). Jedoch können auch andere Mittel wie Lot, elektrisch leitender Draht oder ähnliches, für diese Verbindungen verwendet werden.
Diese Erfindung lässt sich außer bei einem piezoelektrischen Summer auch bei piezoelektrischen Kopfhörern, piezoelektrischen Lautsprechern, piezoelektrischen Tonerzeugern, Weckern usw. verwenden.
Die 12 bis 15 zeigen einen piezoelektrischen Summer, der die vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen piezoelektrischen akustischen Bauteils darstellt.
Dieser piezoelektrische Summer enthält eine Membran 101 des unimorphen Typs, eine Kappe 104 und ein Substrat 110.
Die Membran 101 enthält eine rechtwinklige piezoelektrische Platte 102 und eine rechtwinklige Metallplatte 103, wie 16 zeigt. Elektroden 102a und 102b aus Dünn- oder Dickfilm, sind jeweils auf der Vorder- und Rückseite der piezoelektrischen Platte 102 angeordnet, und die piezoelektrische Platte 102 ist in Dickenrichtung polarisiert. Die rechteckige Metallplatte 103 ist so geformt, dass ihre Breite gleich der Breite der piezoelektrischen Platte 102 und ihre Länge etwas größer ist als die der piezoelektrischen Platte 102.
Die Rückseitenelektrode 102 kann dann entfallen, wenn die Metallplatte 103 direkt mit der Rückseite der piezoelektrischen Platte 102 mit elektrisch leitendem Klebstoff oder ähnlichem verbunden ist.
In dieser Ausführungsform liegt die piezoelektrische Platte 102 auf der Metallplatte 103 derart, dass ihre jeweiligen längeren Seitenkanten zueinander ausgerichtet sind, und dass ihre jeweiligen kürzeren Seitenkanten ebenfalls zueinander ausgerichtet sind. Dies heißt, dass die piezoelektrische Platte 102 auf der Metallplatte 103 so liegt, dass sie mehr zu der einen kürzeren Seitenkante der Metallplatte 103 hin verschoben ist. Dadurch entsteht ein frei liegender Bereich 103a, an der anderen kürzeren Seitenkante der Metallplatte 103.
Piezoelektrische Keramik, wie z. B. PZT, kann für die piezoelektrische Platte 102 verwendet werden und die Metallplatte 103 besteht bevorzugt aus einem Material hoher Leitfähigkeit und hoher Federelastizität. Insbesondere wird ein Material bevorzugt, dessen Youngmodul nahe dem der piezoelektrischen Platte 102 liegt. Dafür kann z. B. Phosphorbronze, 42Ni oder ähnliches verwendet werden. Zusätzlich erhält man eine hohe Zuverlässigkeit bei der Verwendung von 42Ni für die Metallplatte 103, da dessen Wärmedehnungskoeffizient 42Ni nahe dem von Keramik (PZT o. ä.) liegt.
Die oben erwähnte Membran 101 kann mit den nachfolgenden Prozessschritten hergestellt werden.
Zunächst wird ein rechtwinkliges Muttersubstrat aus einem Keramikrohblatt mittels eines Stanzwerkzeugs ausgestanzt und auf diesem Muttersubstrat Elektroden gebildet, die Polarisation durchgeführt, usw.
Danach wird das Muttersubstrat mit der Mutterplatte einer Metallplatte mittels elektrisch leitendem Klebstoff o. ä. verbunden.
Danach werden das Muttersubstrat und die mit ihr verbundene Muttermetallplatte in rechtwinklige Form entlang Schnittlinien in X- und Y-Richtung mittels eines Schneidewerkzeugs o. ä. geschnitten, wodurch die Membran entsteht.
Auf diese Weise lassen sich durch Verwendung der rechtwinkligen Metallplatte 103 und der rechtwinkligen piezoelektrischen Platte 102 die Materialnutzung und die Herstellungseffizienz steigern. Dadurch lassen sich auch die Installationskosten verringern.
Die oben erwähnte Membran 101 ist innerhalb des Gehäuses 104 enthalten und ihre kürzeren Seitenkanten sind darin fixiert.
Das Gehäuse 104 besteht aus Isoliermaterial, wie z. B. aus Keramik oder Harz, und hat die Form eines rechtwinkligen Kastens, der durch einen Bodenwandteil 104a und vier Seitenwandteile 104b und 104c definiert ist.
Zwei Halteteile 104d, die die beiden Enden der Membran 101 halten, sind jeweils einstückig am Gehäuse 104 an der Innenseite der beiden Seitenwandteile 104b einander gegenüberliegend gebildet.
Der Halteteil 104d ist, um einen höheren Schalldruck zu erreichen, so klein wie möglich. Dies geschieht, da ein höherer Schalldruck eine kleinere Resonanzfrequenz gestattet.
Wenn das Gehäuse 104 aus Harz besteht, sind hitzebeständige Harze, wie z. B. LCP (Flüssigkristallpolymer), SPS (Syndiotaktikpolystyrol), PPS (Polyphenylensulfid) oder Epoxidharz bevorzugt.
Zwei Ausschnittteile 104e sind jeweils an der Innenseite der Seitenwandteile 104b gebildet, die die Halteteile 104d bilden. Außerdem sind elektrisch leitende Filme 107 und 108 von der Innenseite der Ausschnittteile 104d zur Bodenfläche der Seitenwandteile 104b über die oberen Flächen und Außenflächen der Seitenwandteile 104b angebracht. Ferner ist ein Dämpfungsloch 104f in der Mitte des Verbindungsabschnitts der längeren Seitenwandteile 104c mit dem Bodenwandteil 104a vorgesehen.
Die Membran 101 ist innerhalb des Gehäuses 104 so aufgenommen, dass die Metallplatte 103 dem Bodenwandteil 104a gegenüberliegt, wie in 13 dargestellt ist. Die zwei kürzeren Seitenkanten der Membran 101 liegen an den beiden Halteteilen 104d und sind dort jeweils mit Klebstoff 105 fixiert. Hierzu können bekannte isolierende Klebstoffe dienen, wie z. B. aus der Epoxidgruppe, Urethangruppe und Silikongruppe.
In dem oben beschriebenen Zustand bleiben schmale Lücken zwischen den beiden längeren Seitenkanten der Membran 101 und dem Gehäuse 104. Diese Lücken werden durch elastisches Dichtungsmaterial 106, z. B. Silikonkautschuk, abgedichtet.
Nachdem die Membran 101 am Gehäuse 104, wie oben beschrieben, angebracht ist, wird elektrisch leitende Paste 109 zwischen die kürzeren Seitenkanten der Membran 101 und die Ausschnitte 104e getröpfelt, und der frei liegende Bereich 103a der Metallplatte 103 wird elektrisch mit dem elektrisch leitenden Film 107 und die auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte 102 angeordnete Elektrode 102a elektrisch mit dem elektrisch leitenden Film 108 verbunden.
Nach Fixieren der Membran 101 am Gehäuse 104 wird ein ein Schallemissionsloch 111 aufweisender Deckel (Substrat) 110 mit dem Gehäuse 104 verbunden. Der Deckel 110 aus Isoliermaterial, wie z. B. Keramik oder Harz, ist in rechtwinkliger Plattenform gebildet. Wenn er aus Harz besteht, kann das für das Gehäuse 104 verwendete hitzebeständige Harz, wie z. B. LCP, SPS, PPS oder Epoxidharz (einschließlich Glasepoxid) verwendet werden. Durch die Verbindung des Deckels 110 mit dem Gehäuse 104 ist ein Schallraum 112 zwischen dem Deckel 110 und der Membran 101 definiert, und dadurch erhält man ein zur Oberflächenmontage geeignetes piezoelektrisches akustisches Bauteil.
Wenn zwischen den Elektrodenabschnitten 107 und 108, die am Gehäuse 104 vorgesehen sind, ein Signal mit einer vorbestimmten Frequenz (Wechselstrom oder Rechtecksignal) angelegt wird, lässt sich ein vorbestimmter Summerton erzeugen.
Dies rührt daher, dass die beiden kürzeren Seitenkanten der Membran 101 jeweils an den beiden Halteteilen 104d des Gehäuses 104 fixiert sind, und dass die beiden längeren Seitenkanten der Membran 101 mit dem elastischen Dichtungsmaterial 106 in einem Zustand freier Auslenkbarkeit verbleiben, und dadurch kann die Membran 101 in einem Längsbiegemodus schwingen und die beiden kürzeren Seitenkanten der Membran 101 bilden die Lagerstellen.
Der Summerton wird vom Schallloch 111 des Deckels 110 nach außen emittiert.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Membran 101 so fixiert, dass die Metallplatte 103 der Membran 101 zum Bodenwandteil 104a des Gehäuses 104 weist. Statt dessen kann die Membran 101 auch so fixiert sein, dass die piezoelektrische Platte 102 zum Bodenwandteil 104a des Gehäuses 4 weist. Als Ergebnis liegen die Elektrode 102a der piezoelektrischen Platte 102 und der frei liegende Bereich 103a der Metallplatte 103 zur oberen Seite hin frei. Deshalb lässt sich die Verbindung des frei liegenden Bereichs 103a mit dem Elektrodenabschnitt 107 und die Verbindung zwischen der Elektrode 102a und dem Elektrodenabschnitt 108 leicht mittels der elektrisch leitenden Paste 109 herstellen.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform sind die beiden kürzeren Seitenkanten der Membran 101 jeweils an den beiden Halteteilen 104d des Gehäuses 4 mit dem Klebstoff 105 fixiert, und die beiden längeren Seitenkanten der Membran 101 sind durch das elastische Dichtungsmaterial 106 abgedichtet. Jedoch kann das elastische Dichtungsmaterial 106 auch über den beiden kürzeren Seitenkanten der Membran 101 vor gesehen sein, die an den beiden Halteteilen 104d des Gehäuses 104 fixiert sind. Der erste Grund dafür ist, dass es die Möglichkeit gibt, dass die elektrisch leitende Paste 109 anhaften und einen Kurzschluss mit der Metallplatte 103 bilden kann, wenn die Elektrode 102a der piezoelektrischen Platte 102 mit dem Elektrodenabschnitt 108 durch die elektrisch leitende Paste 109 verbunden wird. Das elastische Dichtungsmaterial 106 ist im Randteil der Metallplatte 103 als Isolierfilm vorgesehen, um diesen Kurzschluss zu vermeiden. Der zweite Grund dafür ist, dass ein Luftleck zwischen der Vorder- und Rückseite der Membran 101 durch die Abdichtung des gesamten Randteils der Membran 101 mit dem elastischen Dichtungsmaterial 106 vermieden werden kann.
17 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform ist die Membran 101 in dem Gehäuse 104 enthalten, und die vier Kantenabschnitte der Membran 101 sind mit dem elastischen Dichtungsmaterial 106 abgedichtet und verbunden. In diesem Fall sind die kürzeren Seitenkanten der Membran 101 an den Halteteilen 104d durch das elastische Dichtungsmaterial 106 und nicht durch den Klebstoff 105 fixiert. Deshalb wird die Beschränkung der Auslenkung an den kürzeren Seitenkanten der Membran 101 schwach im Vergleich mit der vierten Ausführungsform, und der Betrag der Auslenkung der Membran 101 vergrößert. Demgemäß kann der Schalldruck erhöht werden. Es ist zu erwähnen, dass gleiche Bezugszeichen, wie sie bei der vierten Ausführungsform verwendet wurden, gleiche Elemente bezeichnen, um so eine doppelte Beschreibung zu vermeiden.
Die 18 und 19 zeigen eine sechste Ausführungsform dieser Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist der auf dem Gehäuse 104 vorgesehene Elektrodenabschnitt durch einen Metallanschluss gebildet. Es muss bemerkt werden, dass die mit den Bezugszeichen der vierten Ausführungsform übereinstimmenden Bezugszeichen die gleichen Elemente angeben.
Die Metallanschlüsse 120 und 121 sind U-förmig gebogen und in die an den kürzeren Seitenwandteilen 104b des Gehäuses 104 gebildeten Rillen 104g eingepasst. Die Metallanschlüsse 120 und 121 werden durch Kleben, Crimpen, Schweißen o. ä. fixiert. Jeweils ein Ende der Metallanschlüsse 120 und 121 erstreckt sich bis zur Innenseite der Seitenwandteile 104b und ihr jeweils anderes Ende erstreckt sich zur Bodenfläche des Gehäuses 104. Weiterhin wird der frei liegende Bereich 103a der Metallplatte 103 elektrisch mit dem Metallanschluss 120 durch Einträufeln einer elektrisch leitenden Paste 109 verbunden, und die Elektrode 102a wird mit dem Metallanschluss 121 elektrisch ebenfalls durch Einträufeln einer elektrisch leitenden Paste 109 verbunden.
Die 20 bis 23 stellen eine siebte Ausführungsform dieser Erfindung dar. Bei dieser Ausführung wird der am Gehäuse 104 liegende Elektrodenabschnitt durch einen Steckanschluss gebildet. Es sei erwähnt, dass die gleichen Bezugszeichen wie bei der vierten Ausführungsform die gleichen Elemente bezeichnen.
Die einen Enden 130a und 131a der Steckanschlüsse 130 und 131 liegen jeweils an der Innenseite der kürzeren Seitenwandteile 104b frei und die jeweils anderen Enden 130b und 131b der Steckanschlüsse 130 und 131 erstrecken sich bis zur Bodenfläche des Gehäuses 104. Weiterhin erstrecken sich die Endabschnitte 130c und 131c der anderen Enden 130b und 131b der Steckanschlüsse 130 und 131 in Breitenrichtung zu den längeren Seitenwandteilen 104c des Gehäuses 104. Außerdem wird der frei liegende Bereich 103a der Metallplatte 103 elektrisch mit dem Steckanschluss 130 durch Einträufeln einer elektrisch leitenden Paste 109 zwischen diese Elemente und die Elektrode 102a der piezoelektrischen Platte 102 elektrisch mit dem Steckanschluss 131 ebenfalls durch Einträufeln einer elektrisch leitenden Paste 109 dazwischen verbunden.
Bei den oben beschriebenen fünften, sechsten und siebten Ausführungsformen ist eine einzige Membran 101 im Gehäuse 104 fixiert. Jedoch ist es auch möglich, in dem Gehäuse 104 z. B. durch Trennwände mehrere Räume zu bilden und mehrere Membranen 101, die unterschiedliche Resonanzfrequenzen haben, in den Räumen zu fixieren. In diesem Fall lassen sich mit den Membranen 101, wenn sie individuelle, den jeweiligen Membranen 101 entsprechende Elektrodenabschnitte aufweisen, die mit jeder Membran 101 einzeln verbunden sind, unterschiedliche Töne erzeugen.
Zusätzlich ist die Form der Metallplatte und der piezoelektrischen Platte nicht auf die Rechteckform beschränkt sondern kann auch quadratisch sein.
Außerdem wird in den oben beschriebenen fünften bis siebten Ausführungsformen eine Membran des unimorphen Typs verwendet, bei der eine piezoelektrische Platte auf einer Seite einer Metallplatte angebracht ist. Jedoch lässt sich auch eine bimorphe Membran einsetzen, bei der zwei piezoelektrische Platten auf beiden Seiten einer Metallplatte angeordnet sind.
Weiterhin wird zur Verbindung der Metallplatte mit dem ersten Elektrodenabschnitt und zur Verbindung der anderen Oberflächenelektrode der piezoelektrischen Platte mit dem zweiten Elektrodenabschnitt elektrisch leitender Klebstoff (elektrisch leitende Paste) verwendet. Statt dessen können auch andere Verbindungsmittel, wie Lot, elektrisch leitender Draht, o. ä. für diese Verbindung verwendet werden.
Diese Erfindung ist außer bei einem piezoelektrischen Summer auch bei einem piezoelektrischen Kopfhörer, einem piezoelektrischen Lautsprecher, einem piezoelektrischen Tonerzeuger, einem Wecker usw. anwendbar.

Claims

Piezoelektrisches akustisches Bauteil aufweisend: – eine Membran (1), die eine rechtwinklige piezoelektrische Platte (2) mit einer Vorder- und Rückseite, eine auf der Vorderseite angeordnete Elektrode (2a) und eine rechtwinklige Metallplatte (3) aufweist, die mit der Rückseite der rechtwinkligen piezoelektrischen Platte direkt oder über eine auf der Rückseite der rechtwinkligen piezoelektrischen Platte (2) liegende Elektrode (2b) verbunden ist; – eine Isolierkappe (4), die einen oberen Wandteil (4a), vier Seitenwandteile (4b), die sich von dem oberen Wandteil (4a) erstrecken und zwei Halteteile (4c) aufweist, um die Membran (1) an der Innenseite von zwei einander gegenüberliegenden der vier Seitenwandteile (4b) zu haltern; – ein plattenförmiges Substrat (10) mit einem ersten und zweiten Elektrodenabschnitt (13, 14), wobei – die Membran (1) in der Isolierkappe (4) liegt; – zwei einander gegenüberliegende der vier Seitenkanten der Membran (1) an den beiden Halteteilen (4c) mit Klebstoff (5) oder mit elastischem Dichtungsmaterial (6) fixiert sind; – eine Lücke zwischen den anderen beiden Seitenkanten der Membran (1) und der Kappe durch elastisches Dichtungsmaterial (6) abgedichtet ist; – ein akustischer Raum zwischen der Membran (1) und dem oberen Wandteil (4a) der Isolierkappe (4) definiert ist; – eine Öffnungskante der vier Seitenwandteile (4b) der Isolierkappe (4) mit dem Substrat (10) verbunden ist; – die Metallplatte (3) elektrisch mit dem ersten Elektrodenabschnitt (13) verbunden ist; und – die auf der Vorderseite der rechtwinkligen piezoelektrischen Platte (2) liegende Elektrode (2a) elektrisch mit dem zweiten Elektrodenabschnitt (14) verbunden ist.
Piezoelektrisches akustisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei – die piezoelektrische Platte (2) auf der Metallplatte (3) derart angeordnet ist, dass die beiden längeren Seitenkanten der piezoelektrischen Platte (2) und der Metallplatte (3) zueinander ausgerichtet sind und wobei jeweils eine der zwei kürzeren Seitenkanten der piezoelektrischen Platte und der Metallplatte zueinander derart ausgerichtet sind, dass die piezoelektrische Platte (2) auf der Metallplatte (3) mehr zu der einen kürzeren Seitenkante der Metallplatte hin verschoben ist, an der diese durch den Halteteil (4c) der Isolierkappe (4) gehalten ist; – ein freiliegender Bereich (3a) an der anderen kürzeren Seitenkante der Metallplatte liegt; und – die Membran (1) an den Halteteilen (4c) der Isolierkappe (4) so fixiert ist, dass die Metallplatte (3) zum oberen Wandteil (4a) der Isolierkappe (4) weist.
Piezoelektrisches akustisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Metallplatte (3) mit dem ersten Elektrodenabschnitt (13) durch elektrisch leitenden Kleber (15) verbunden ist; und die an der Vorderseite der rechtwinkligen piezoelektrischen Platte (2) angeordnete Elektrode (2a) mit dem zweiten Elektrodenabschnitt durch elektrisch leitenden Kleber (16) verbunden ist.
Piezoelektrisches akustisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei – das elastische Dichtungsmaterial (6) aus einem Isoliermaterial besteht; und – das elastische Dichtungsmaterial (6) an allen vier Seitenkanten der Membran vorgesehen ist.
Piezoelektrisches akustisches Bauteil aufweisend: – eine Membran (101), die eine rechtwinklige piezoelektrische Platte (102) mit einer Vorder- und Rückseite, eine auf der Vorderseite angeordnete Elektrode (102a) und eine mit der Rückseite der rechtwinkligen piezoelektrischen Platte direkt oder über eine auf der Rückseite der piezoelektrischen Platte (102) angeordnete Elektrode (102b) verbundene Metallplatte (103) aufweist; – ein Isoliergehäuse (104), das einen Bodenwandteil (104a), vier Seitenwandteile (104b, 104c), die vom Bodenwandteil (104a) ragen, zwei Halteteile (104d) zur Halterung der Membran an der Innenseite von zwei einander gegenüberliegenden der vier Seitenwandteile (104b) und einen ersten und zweiten Elektrodenabschnitt (107, 108) zur Verbindung nach außen aufweist, die auf zwei der vier Seitenwandteile (104b) angeordnet sind; und – einen Deckel (110), der ein Schallemissionsloch (111) enthält, wobei – die Membran (101) im Isoliergehäuse (104) liegt; – zwei einander gegenüberliegende der vier Seitenkanten der Membran (101) durch einen Klebstoff (105) oder elastisches Dichtungsmaterial (106) an den beiden Halteteilen (104d) fixiert sind; – eine Lücke zwischen den anderen beiden Seitenkanten der Membran (101) und dem Gehäuse durch elastisches Dichtungsmaterial (106) abgedichtet ist, – die Metallplatte (103) elektrisch leitend mit dem ersten Elektrodenabschnitt (107) verbunden ist, – die auf der Vorderseite der rechtwinkligen piezoelektrischen Platte (102) liegende Elektrode (102a) elektrisch mit dem zweiten Elektrodenabschnitt (108) verbunden ist und – eine Öffnungskante des Isoliergehäuses (104) mit dem Deckel (110) verbunden ist.
Piezoelektrisches akustisches Bauteil nach Anspruch 5, wobei wenigstens einer der Elektrodenabschnitte (107, 108) für die Verbindung nach außen ein Elektrodenfilm ist, der auf der Oberfläche des Isoliergehäuses (104) liegt und sich vom Halteteil (104d) zur Bodenfläche des Isoliergehäuses (104) erstreckt.
Piezoelektrisches akustisches Bauteil nach Anspruch 5, wobei wenigstens einer der Elektrodenabschnitte für die Verbindung nach außen ein an dem Isoliergehäuse fixierter Metallanschluss (121) ist, der sich von dem Halteteil (104d) bis zur Bodenfläche des Isoliergehäuses (104) erstreckt.
Piezoelektrisches akustisches Bauteil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei – die piezoelektrische Platte (102) auf der Metallplatte (103) derart angeordnet ist, dass die beiden längeren Seitenkanten der piezoelektrischen Platte und der Metallplatte zueinander ausgerichtet sind und wobei jeweils eine der beiden kürzeren Seitenkanten der piezoelektrischen Platte und der Metallplatte zueinander so ausgerichtet sind, dass die auf der Metallplatte (103) liegende piezoelektrische Platte (102) mehr zu der einen kürzeren Seitenkante der Metallplatte (103) hin verschoben ist, wo die Metallplatte (103) durch den Halteteil (104d) des Isoliergehäuses (104) gehalten ist; – ein freiliegender Bereich (103a) an der anderen kürzeren Seitenkante der Metallplatte (103) vorgesehen ist; – die Membran (101) an den Halteteilen (104d) des Isoliergehäuses (104) so fixiert ist, dass die Metallplatte (103) dem Bodenwandteil (104a) der Isolierkappe (104) gegenüber liegt; – der freiliegende Bereich (103a) mit dem ersten Elektrodenabschnitt (107) verbunden ist; und – die auf der Vorderseite der rechtwinkligen piezoelektrischen Platte (102) liegende Elektrode (102a) elektrisch mit dem zweiten Elektrodenabschnitt (108) durch elektrisch leitenden Klebstoff (109) verbunden ist.
Piezoelektrisches akustisches Bauteil nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das elastische Dichtungsmaterial (106) aus einem Isolierstoff besteht und an allen vier Seitenkanten der Membran (101) angebracht ist.