DE10229845B4

DE10229845B4 - Piezoelektrischer Elektroakustischer Transducer

Info

Publication number: DE10229845B4
Application number: DE10229845A
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Takeshima; Yoshitaka Nakamura; Kiyotaka Tajima
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-07-09
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2022-07-04
Also published as: US20030015942A1; DE10229845A1; JP2003023696A; US6894423B2; KR20030007002A; CN100496057C; CN1396752A; KR100529768B1; JP3770111B2

Abstract

Piezoelektrischer elektroakustischer Transducer, welcher umfaßt: eine rechteckige piezoelektrische Membran mit Elektroden, welche als Reaktion auf das Anlegen eines alternierenden Signals zwischen den Elektroden Biegeschwingungen in Richtung der Dicke ausführt, und ein Gehäuse, in dem die piezoelektrische Membran angeordnet ist, wobei das Gehäuse mit Stützelementen versehen ist, die so angeordnet sind, daß sie die piezoelektrische Membran stützen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente derart angeordnet sind, daß sie die Membran ausschließlich an ihren vier Ecken stützen, so daß die Membran im Flächenschwingungsmodus schwingt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen elektroakustischen Transducer, wie z. B. einen piezoelektrischen Summer und einen piezoelektrischen Empfänger.
Bei elektronischen Vorrichtungen, elektronischen Haushaltsgeräten, tragbaren Telefonen und anderen solchen elektronischen Vorrichtungen wurden piezoelektrische elektroakustische Transducer als piezoelektrische Summer oder piezoelektrische Empfänger zur Abgabe eines Alarmtonsignals oder eines Betriebstonsignals häufig genutzt. Ein piezoelektrischer elektroakustischer Transducer dieser Art umfaßt im allgemeinen ein kreisförmiges piezoelektrisches Element, das mit einer Oberfläche einer kreisförmigen Metallplatte verklebt wird, um eine unimorphe Membran (auch als Diaphragma bezeichnet) zu bilden, und die Peripherie der Metallplatte wird unter Verwendung von Silikongummi auf einen runden Kasten montiert, während eine Öffnung dieses Kastens mit einem Deckel geschlossen wird.
Wenn jedoch eine kreisförmige Membran verwendet wird, gibt es ein Problem geringer Produktionseffizienz, schlechten akustischen Wirkungsgrades und darüber hinaus Schwierigkeiten bei der Miniaturisierung des piezoelektrischen elektroakustischen Transducers.
In der nicht geprüften japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung JP 2000 310 990 A wird ein piezoelektrischer elektroakustischer Transducer beschrieben, der die Produktionseffizienz und den akustischen Wirkungsgrad verbessert, und durch Verwendung einer rechteckigen Membran miniaturisiert werden kann. Der piezoelektrische elektroakustische Transducer umfaßt eine rechteckige piezoelektrische Membran, ein Isoliergehäuse mit einem Boden, vier Seitenwänden und einem Stützelement, das innen zwischen zwei gegenüberliegenden Seitenwänden zur Stützung der Membran angeordnet wird, wobei das Stützelement mit ersten und zweiten Leitungselementen, die darin für externe Anschlüsse ausgebildet werden, und einer Verschlußplatte mit daran ausgebildeten, für die Tonabgabe bestimmten Öffnungen versehen ist. Die Membran wird in dem Kasten untergebracht, wo zwei gegenüberliegende Seiten der Membran mit einem Klebstoff oder einem elastischen Dichtmittel an dem Stützelement befestigt werden, während Lücken zwischen den verbleibenden zwei Seiten der Membran und des Kastens mit dem elastischen Dichtmittel in der Weise versiegelt werden, daß die Membran und die ersten und zweiten Leitungselemente durch einen leitenden Klebstoff elektrisch miteinander verbunden werden, und die Verschlußplatte mit dem offenen Ende der Seitenwände des Kastens verbunden wird.
Als weiteres Verfahren für die Befestigung der piezoelektrischen Membran gibt es auch ein Verfahren zur Befestigung der vier Seiten der Membran an dem Stützelement mittels eines Klebstoffes oder elastischen Dichtmittels.
In der Membran können die Biegeschwingung in einem Längenschwingungsmodus sowie die Biegeschwingung in einem Flächenschwingungsmodus auftreten, was jeweils davon abhängt, wie die Membran gestützt wird. Bei ersterem handelt es sich um eine Form der Biegeschwingung in der Richtung der Dicke der Platte, wobei beide Enden in der Längsrichtung als Stützen dienen, wenn zwei Seiten der Membran am Kasten befestigt sind, und bei letzterem handelt es sich um einen Modus, bei dem durch Fixieren von vier Seiten der Membran am Kasten die gesamte Fläche der Membran eine Biegeschwingung in Richtung der Deckplatte ausübt, wobei die vier Seiten in der Weise als Stützen funktionieren, daß der Schnittpunkt der diagonalen Linien sich maximal bewegt.
Die Biegeschwingung hat jedoch bei beliebigen konventionellen Längenschwingungsmodi und Flächenschwingungsmodi einen Mangel insoweit, als die Resonanzfrequenz der Membran hoch ist und der Schalldruck im tiefen Frequenzbereich nicht erhöht werden kann. Bei Vergrößerung des Kastens und der Membran kann die Resonanzfrequenz gemindert werden. Dadurch nimmt jedoch die Größe des Transducers zu.
Des weiteren weist der piezoelektrische elektroakustische Transducer nach dem Stand der Technik ein Problem auf, wenn die Membran verworfen oder verwunden ist, wobei dann die Resonanzfrequenz nicht stabilisiert ist, da zwei Seiten oder vier Seiten der Membran stark in ihrer Bewegung eingeschränkt sind.
Aus der DE 100 07 455 A1 ist ein piezoelektrischer elektroakustischer Transducer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Dieser ist rechteckig ausgeführt und an seinen gegenüberliegenden kürzeren Seiten eingespannt, sodaß er im Längenschwingungsmodus schwingt.
In der US 5,372,428 A ist ein piezoelektrischer elektroakustischer Transducer beschrieben, der in einem Gehäuse auf drei Vorsprüngen aufliegt. Dieser ist kreisförmig ausgebildet.
Die JP 3 102 998 A beschreibt eine Aufhängung für einen großflächigen piezoelektrischen Lautsprecher.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen piezoelektrischen elektroakustischen Transducer zu schaffen, welcher miniaturisiert ist und eine reduzierte Frequenz aufweist und bei dem die Resonanzfrequenz auch dann stabilisiert ist, wenn die Membran eine Verwerfung oder Verwindung aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der piezoelektrische elektroakustische Transducer eine im wesentlichen rechteckige piezoelektrische Membran auf, welches Elektroden aufweist und eine Biegeschwingung in der Richtung der Dicke als Reaktion auf das Anlegen eines alternierenden Signals zwischen den Elektroden ausführt, und ein Gehäuse für die Unterbringung der piezoelektrischen Membran, wobei das Gehäuse mit Stützelementen versehen ist, die vier Ecken der piezoelektrischen Membran stützen.
Wenn vier Seiten der Membran wie üblich im Gehäuse abgestützt werden und wenn des weiteren entsprechend den bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung vier Ecken der Membran darauf gestützt werden, schwingt die Membran in beiden Fällen in einem Flächenschwingungsmodus. Wie jedoch in den 1A und 1B gezeigt, ist der Knoten der Schwingung unterschiedlich. Das heißt, wenn, wie in 1A gezeigt, die vier Seiten der Membran gestützt werden, schwingt die Membran unter Verwendung eines in der Membran als Knoten vorgesehenen inneren Tangentialkreises, während, wenn, wie in 1B gezeigt, die vier Ecken der Membran gestützt werden, die Membran unter Verwendung eines Kreises schwingt, der im wesentlichen umbeschrieben ist, wobei die Membran als Knoten fungiert. Demzufolge wird die maximale Bewegung, d. h. also der Schalldruck am Mittelpunkt des Kreises, in letzterem Fall im Vergleich zum ersteren größer sein. Des weiteren wird die sich bewegende Fläche der Membran bei letzterem Fall im Vergleich zu ersterem Fall größer sein, so daß die Schwingungsfrequenz in letzterem Fall geringer ist, was es ermöglicht, bei einer Membran mit der gleichen äußeren Größe eine niedrigere Frequenz zu erreichen.
Die 1A und 1B zeigen den Vergleich zwischen dem Stützen der vier Seiten der Membran in den verschiedenen oben beschriebenen Formen. Selbst im Vergleich zum Fall des Stützens von zwei Seiten der Membran wird bei der Stützstruktur nach bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung die einschränkende, auf die Biegung bezogene Kraft für die Membran stark reduziert, so daß eine niedrige Frequenz erreicht werden kann, und darüber hinaus kann der Schalldruck im Bereich niedriger Frequenzen erhöht werden.
Wie oben beschrieben, können durch Abstützen der vier Ecken der Membran eine Miniaturisierung und eine Minderung der Frequenz deshalb erreicht werden, weil die Membran frei ablenkbar ist, und, selbst wenn die Membran eine Verwerfung oder Verwindung aufweist, werden Schwankungen bei der Resonanzfrequenz verhindert.
Ein piezoelektrischer elektroakustischer Transducer nach bevorzugten Ausführungsbespielen der vorliegenden Erfindung kann ferner Anschlußelektroden aufweisen, die interne Verbindungen aufweisen, welche in der Nähe der Stützelemente angelegt werden, und externe Verbindungen, die an der äußeren Fläche des Gehäuses angelegt sind und elektrisch Verbindungen zu den internen Verbindungen herstellen, sowie leitende Klebstoffe, wobei die Elektroden der piezoelektrischen Membran und die internen Verbindungen der Anschlußelektroden zusammen mit den leitenden Klebstoffen elektrisch verbunden werden können.
Das heißt, es ist notwendig, zwischen den Elektroden der Membran ein alternierendes Signal anzulegen, um die Membran zu veranlassen, Biegeschwingungen in einem Flächenschwingungsmodus auszuführen. Durch Verbinden der Elektroden der Membran mit den in der Nähe der Stützelemente des Gehäuses mit den leitenden Klebstoffen angelegten internen Verbindungen kann das alternierende Signal dadurch angelegt werden, daß die einschränkende Kraft, welche gegen die Schwingungen der Membran wirkt, so stark wie möglich gemindert wird.
Wenn darüber hinaus beispielsweise eine leitende Urethanpaste verwendet wird, muß aufgrund deren Elastizität nach dem Aushärten die gegen die Membran wirkende einschränkende Kraft nicht groß sein.
Vorzugsweise wird eine Lücke zwischen der externen Peripherie der piezoelektrischen Membran und der internen Peripherie des Gehäuses mit einem elastischen Dichtmittel versiegelt.
Auch wenn die Membran in einem Flächenschwingungsmodus Biegeschwingungen ausführt und es eine Lücke zwischen der Membran und dem Gehäuse gibt, tritt entsprechend Luft durch, so daß kein Schalldruck erhalten werden kann. Durch Versiegeln der Lücke zwischen der externen Peripherie der Membrans und der internen Peripherie des Gehäuses mit einem elastischen Dichtmittel kann der Luftaustritt beseitigt werden, ohne die Schwingung der Membrans zu behindern.
Als elastisches Dichtmittel kann beispielsweise ein Silikonklebstoff verwendet werden, andere Dichtmittel können ebenfalls eingesetzt werden.
Vorzugsweise weist die piezoelektrische Membran eine Schicht auf, die mit mindestens der externen Peripherie der Membrans verbunden ist, und eine Lücke zwischen der piezoelektrischen Membran und dem Gehäuse wird dadurch geschlossen, daß die Schicht in der internen Peripherie des Gehäuses geschmolzen oder verklebt wird.
Obwohl die Lücke zwischen der Membran und dem Gehäuse dadurch verschlossen werden kann, daß das elastische Dichtmittel aufgebracht wird, gibt es eine Möglichkeit des Dämpfens der Schwingung, wenn das elastische Dichtmittel mit übermäßig großer Stärke an dem Abstand zwischen der Membran und dem Gehäuse anhaftet. Wenn dagegen die Membran und das Gehäuse mit der Dünnschicht verbunden werden, besteht die Möglichkeit, daß die Membran in der Weise schwingt, daß es in der Lage ist, einen hohen Schalldruck zu erzeugen.
Die Dünnschicht kann auch nur an der Peripherie der Membrans angebracht werden, oder sie kann an der gesamten Oberfläche der Membrans angebracht werden.
Vorzugsweise sind die Stützelemente am Gehäuse Ansätze zur punktuellen Abstützung nahe beieinander liegender Punkte von vier Ecken der piezoelektrischen Membran.
Das heißt, die Stützelemente können flach ausgebildet sein, so daß sie die vier Ecken der Membran an ihren Oberflächen abstützen, wobei die Kontaktfläche in der Weise vergrößert wird, daß die Schwingung gedämpft werden kann. Wenn auf der anderen Seite die Stützelemente Ansätze sind, wird die Membran kaum in der Bewegung eingeschränkt, wodurch die Schalldruckcharakteristik entsprechend verbessert wird.
Wenn in diesem Falle sich gegenüberliegende Ansätze im oberen und unteren Teil des Gehäuses in der Weise angeordnet werden, daß die Ecken der Membran zwischen den Ansätzen eingeklemmt werden, kann , um den Herstellungsprozeß zu vereinfachen, das Fixieren mit dem Klebstoff unterbleiben, und die Dämpfung der Schwingung kann aufgrund der reduzierten Stützfläche beseitigt werden.
Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor, in der mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen:
1A und 1B Zeichnungen zum Vergleich der Schwingungsknoten, je nachdem, ob die Membran an vier Seiten oder aber an dessen Ecken gestützt wird;
2 eine Montageansicht eines piezoelektrischen elektroakustischen Transducers nach dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine Draufsicht des in 2 gezeigten piezoelektrischen elektroakustischen Transducers, bei dem eine Verschlußplatte und ein elastisches Dichtmittel entfernt wurden;
4 eine Schnittansicht längs der Linie A-A der 3;
5 eine perspektivische Ansicht eines in dem in 2 gezeigten piezoelektrischen elektroakustischen Transducer verwendeten piezoelektrischen Membran;
6 eine abgestufte Schnittansicht längs der Linie B-B der 5;
7 ein Chart zum Vergleich von Schalldrücken, wenn die piezoelektrische Membran auf zwei Seiten gestützt wird und wenn die piezoelektrische Membran an dessen Ecken gestützt wird;
8 eine Draufsicht des piezoelektrischen elektroakustischen Transducers nach einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die Verschlußplatte und ein elastisches Dichtmittel entfernt wurden;
9 eine Schnittansicht längs der Linie C-C der 8;
10 eine perspektivische Ansicht eines zu dem in 8 gezeigten piezoelektrischen elektroakustischen Transducer gehörenden Gehäuses;
11 eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen elektroakustischen Transducers nach einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem eine Verschlußplatte entfernt wurde; und
12 eine Montageansicht eines Gehäuses und einer Membran nach 11.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die 2 bis 6 zeigen einen oberflächenmontierten piezoelektrischen elektroakustischen Transducer nach einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Der elektroakustische Transducer nach dem hier behandelten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist für den Einsatz in großen Frequenzbereichen, wie z. B. bei piezoelektrischen Empfängern, bestimmt und umfaßt eine mehrschichtige Struktur der piezoelektrischen Membran 1, einen Kasten 10 und eine Verschlußplatte 20. Der Kasten 10 und die Verschlußplatte 20 bilden ein Gehäuse.
Die Membran 1 nach den 5 und 6 wird vorzugsweise dadurch hergestellt, daß zwei piezoelektrische Keramikschichten 1a und 1b aufgebracht werden, und es weist an beiden Hauptflächen angeordnete Hauptoberflächenelektroden 2 und 3 und eine zwischen den Keramikschichten 1a und 1b angeordnete Innenelektrode 4 auf. Die beiden Keramikschichten 1a und 1b sind, wie durch den durchgezogenen Pfeil in den Zeichnungen gezeigt, in einer Dickenrichtung polarisiert. Die oberen Hauptflächenelektrode 2 und die untere Hauptflächenelektrode 3 sind vorzugsweise etwas kleiner als die Seitenlänge der Membran 1, und ein Ende derselben ist mit einer Endoberflächenelektrode 5 verbunden, die an einer Endfläche der Membran 1 angeordnet ist. Demzufolge sind die zwei Hauptoberflächenelektroden 2 und 3 miteinander verbunden. Die Innenelektrode 4 ist im wesentlichen symmetrisch zu den Hauptoberflächenelektroden 2 und 3, und ein Ende der Innenelektrode 4 wird von der Endoberflächenelektrode 5 getrennt, während das andere Ende mit einer auf der anderen Endfläche der Membran 1 angeordneten Endoberflächenelektrode 6 verbunden wird. Darüber hinaus werden auf beiden Oberflächen der Membran 1 am anderen Ende Hilfselektroden 7 mit geringer Breite angeordnet, um elektrisch mit der Endoberflächenelektrode 6 verbunden zu werden.
An den oberen und unteren Flächen der Membran 1 werden Harzschichten 8 und 9 zur jeweiligen Abdeckung der Hauptflächenelektroden 2 und 3 vorgesehen. Die Harzschichten 8 und 9 sind vorgesehen, um die Bruchfestigkeit zu erhöhen. Auf den Harzschichten 8 und 9 werden Ausschnitte 8a und 9a, die die Hauptflächenelektroden 2 und 3 freilegen, und Ausschnitte 8b und 9b, die die Hilfselektroden 7 freilegen, in der Nähe von Ecken der Membran 1 angeordnet, die sich diagonal gegenüberliegen.
Darüber hinaus können die Ausschnitte 8a, 8b, 9a und 9b auch nur an der oberen oder nur an der unteren Oberfläche angeordnet werden. Um jedoch die obere und untere Bündelung der Schwingungen zu beseitigen, werden die Ausschnitte 8a, 8b, 9a und 9b nach dem hier behandelten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auf beiden Oberflächen angeordnet.
Die Hilfselektrode 7 ist nicht notwendigerweise eine Bandelektrode mit vorbestimmter Breite, und sie kann auch nur an einer Position angeordnet werden, die den Ausschnitten 8b und 9b entspricht.
Entsprechend dem hier behandelten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird PZT-Keramik in den ungefähren Abmessungen von 10 mm × 10 mm × 20 μm vorzugsweise als Keramikschichten 1a und 1b verwendet, und ein Polyamidoimid-Harz mit einer Stärke von ca. 5 μm bis ca. 10 μm wird vorzugsweise als die Harzschichten 8 und 9 verwendet.
Der Kasten 10, der vorzugsweise aus einem Isoliermaterial, wie z. B. Keramik oder einem Harz, besteht, hat eine im wesentlichen rechteckige Kastenform mit einem Boden 10a und vier Seitenwänden 10b bis 10e. Wenn der Kasten 10 aus einem Harz ausgebildet wird, kann vorzugsweise ein hitzefestes Harz verwendet werden, wie z. B. ein LZP-Flüssigkristallpolymer), ein SPS (syndiotaktisches Polystyrol, ein PPS (Polyphenylsulfat) oder ein Epoxyharz. An den internen Peripherien der vier Seitenwände 10b bis 10e sind Stufen 10f in einer ringförmigen Anordnung konfiguriert. Über die Stufen 10f innerhalb der gegenüberliegenden Seitenwände 10b und 10d liegen interne Verbindungen 11a und 12a eines Paars Anschlüsse 11 und 12 frei. Die Anschlüsse 11 und 12 sind in dem Kasten 10 durch Einfügegießen angeordnet, wobei die externen Verbindungen 11b und 12b, die sich über den Kasten 10 hinaus erstrecken, längs externer Oberflächen der Seitenwände 10b und 10d in Richtung auf den unteren Boden 10a des Kastens 10 gebogen werden. Entsprechend dem hier behandelten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die internen Verbindungen 11a und 12a der Anschlüsse 11 und 12 vorzugsweise jeweils zweifach gegabelt. Diese zweifach gegabelten internen Verbindungen 11a und 12a liegen in der Nähe der Ecken des Kastens 10.
Vier Ecken innerhalb der Stufen 10f sind, wie in den 3 und 4 gezeigt, mit Stützelementen log versehen, die an Positionen angeordnet sind, die um eine Stufe niedriger liegen als die Stufen 10f, um die vier Ecken der Membran 1 zu stützen. Wenn demzufolge die Membran 1 auf die Stützelemente log aufgelegt wird, entspricht die Oberfläche der Membran 1 im wesentlichen der Höhe nach den Oberflächen der internen Verbindungen 11a und 12a der Anschlüsse 11 und 12. Dabei wird das Stützelement log im wesentlichen in der Draufsicht dreieckig ausgebildet, und die vier Stützelemente log sind auf dem gleichen Umfang angeordnet.
Zusätzlich ist der untere Boden 10a mit einer ersten Tonabgabeöffnung 10h versehen, die darin angeordnet ist.
Die Membran 1 ist in dem Kasten in der Weise untergebracht, daß es an die Stützelemente log oder an deren Nähe an vier Positionen mit elastischem Stützmaterial 13 befestigt wird. Das heißt, das elastische Stützmaterial 13 wird zwischen der Hauptelektrode 2, die in den Ausschnitten 8a angeordnet ist, und der internen Verbindung 11a des Anschlusses 11 bzw. zwischen der in dem Ausschnitt 8b, der dem Ausschnitt 8b diagonal gegenüberliegt, angeordneten Hilfselektroden 7 und der internen Verbindung 12a des Anschlusses 12 aufgebracht. Die verbleibenden beiden Positionen, die sich diagonal gegenüberliegen, werden ebenfalls mit dem elastischen Stützmaterial 13 beschichtet. Darüber hinaus wird das elastische Stützmaterial 13 in längsfluchtigen, im wesentlichen elliptischen Formen angebracht. Die Beschichtungsform ist jedoch auf die im wesentlichen elliptische Form nicht beschränkt. Als elastisches Stützmaterial 13 kann beispielsweise ein Urethanklebstoff mit einem Young-Modul nach Aushärten von ca. 3,7 × 10⁶ Pa verwendet werden. Die Viskosität des elastischen Stützmaterials 13 vor dem Aushärten ist hoch (beispielsweise 5 Pa·s bis ca. 12 Pa·s [50 dPa·s bis ca. 120 dPa s]), so daß es sehr schwierig ist, daß sich das elastische Stützmaterial 13 ausbreitet, und es auch schwierig ist, daß das elastische Stützmaterial 13 des unteren Bodens 10a durch die Lücke zwischen der Membran 1 und dem Kasten 10 fließt, wenn es aufgebracht wird. Nach dem Aufbringen des elastischen Stützmaterials 13 wird es erhitzt und ausgehärtet.
Zusätzlich kann nach Unterbringung der Membran 1 im Kasten 10 als Verfahren zur Befestigung der Membran 1 das elastische Stützmaterial 13 durch einen Automaten aufgebracht werden. Alternativ kann die Membran 1 in dem Kasten 10 in einem Zustand eingesetzt werden, bei dem die Membran 1 vorher mit dem elastischen Stützmaterial 13 beschichtet wird.
Die Beschichtungsposition des elastischen Stützmaterials 13 kann vorzugsweise so nahe wie möglich bei dem Stützelement log liegen. In 3 wird das elastische Stützmaterial 13 an einer Position aufgebracht, die gegenüber dem Stützelement log leicht beabstandet ist. Dies deshalb, weil ein leitender Klebstoff 14 längs des elastischen Stützmaterials 13 angeordnet ist. Wenn jedoch die Elektroden der Membran 1 und die internen Verbindungen 11a und 12a an den Ecken des Kasten 10 angeordnet werden können, kann die Beschichtungsposition des elastischen Stützmaterials 13 auch dem Stützelement log entsprechen.
Nach dem Aushärten des elastischen Stützmaterials 13 werden die leitenden Klebstoffe 14 vorzugsweise in im wesentlichen elliptischen Formen auf das elastische Stützmaterial 13 aufgebracht, das ebenfalls in im wesentlichen elliptischen Formen aufgebracht wird, so daß sie sich mit dem elastischen Stützmaterial 13 in der Weise schneiden, daß die Hauptoberflächenelektroden 2 und die interne Verbindung 11a des Anschlusses 11 miteinander verbunden werden, und die Hilfselektroden 7 sowie die interne Verbindung 12a des Anschlusses 12 ebenso miteinander verbunden werden. Als leitender Klebstoff 14 kann beispielsweise die leitende Urethanpaste mit einem Young-Modus nach Aushärten von ca. 0,3 × 10⁹ Pa verwendet werden. Nach dem Aufbringen des leitenden Klebstoffs 14 wird dieser erhitzt und ausgehärtet. Die Beschichtungsform des leitenden Klebstoffs 14 ist auf die im wesentlichen elliptische Form nicht beschränkt. Die Beschichtungsform kann jede beliebige Form sein, welche ausreichend ist, um dadurch eine Verbindung zwischen der Hauptoberflächenelektrode 2 und der internen Verbindung 11a sowie zwischen der Hilfselektrode 7 und der internen Verbindung 12a sicherzustellen, daß diese längs des elastischen Stützmaterials 13 angeordnet sind.
Nach Aufbringen und Aushärten der leitenden Klebstoffe 14 wird die Lücke zwischen der gesamten Peripherie der Membran 1 und der internen Peripherie des Kastens 10 mit einem elastischen Dichtmittel 15 in der Weise beschichtet, daß die Luftleckage zwischen den oberen und unteren Flächen der Membran 1 verhindert wird. Nach Anbringen des elastischen Dichtmittels 15 in einer ringförmigen Anordnung wird es erhitzt und ausgehärtet. Als elastisches Dichtmittel 15 wird beispielsweise Silikonklebstoff mit einem Young-Modus nach Aushärten von ca. 3,0 × 10⁵ Pa verwendet.
Nach dem Befestigen der Membran 1 am Kasten 10 wie oben beschrieben wird die Verschlußplatte 20 mit der oberen Öffnung des Kastens 10 mit einem Klebstoff 21 verklebt. Die Verschlußplatte 20 wird vorzugsweise aus dem gleichen Material hergestellt, wie der Kasten 10. Durch Verkleben der Verschlußplatte 20 wird ein akustischer Raum zwischen der Verschlußplatte 20 und der Membran 1 geschaffen. Die Verschlußplatte 20 ist mit einer weiteren, darin angeordneten Tonabgabeöffnung 22 versehen.
In der oben beschriebenen Weise wird der oberflächenmontierte Transducer fertiggestellt.
Bei dem elektroakustischen Transducer nach dem hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Membran 1 Biegeschwingungen in einem Flächenschwingungsmodus ausführen, wenn eine vorbestimmte Wechselspannung zwischen den Anschlüssen 11 und 12 angelegt wird. Die piezoelektrische Keramikschicht, die in der gleichen Richtung wie die des elektrischen Feldes polarisiert ist, zieht sich in einer planaren Richtung zusammen, während die piezoelektrische Keramikschicht, welche in einer zu derjenigen des elektrischen Feldes entgegengesetzten Richtung polarisiert ist, sich in der planaren Richtung ausdehnt, so daß die gesamte Struktur sich in der Dickerichtung biegt.
Da die Membran 1 bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine aufgebrachte Keramikstruktur und zwei sequentiell in der Dickenrichtung angeordnete Schwingbereiche (Keramikschichten) aufweist, die in zueinander entgegengesetzten Richtungen schwingen, kann im Vergleich zu einer unimorphen Membran eine größere Bewegung, d. h. ein größerer Schalldruck erzielt werden.
7 zeigt Toncharakteristika, wenn zwei sich gegenüberliegende Seiten der Membran 1 auf dem Kasten abgestützt werden und wenn vier Ecken desselben auf dem Kasten abgestützt werden. Wie sich aus der Zeichnung ergibt, ist zu erkennen, daß die Resonanzfrequenz im ersteren Fall ca. 1200 Hz beträgt, während die Resonanzfrequenz in letzterem Fall ca. 800 Hz beträgt, so daß die Resonanzfrequenz dadurch reduziert wird, daß die Membran an den vier Ecken gestützt wird, und dabei wird darüber hinaus der Schalldruck bei der Resonanzfrequenz erhöht.
Die 8 bis 10 zeigen einen Transducer nach einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Entsprechend dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind einerseits Aufnahmen 10i an den vier Ecken des Kastens angeordnet, und andererseits sind Ansätze 10j auf den oberen Oberflächen der sich davon ausgehend erstreckenden Aufnahmen 10i in der Weise angeordnet, daß die unteren Flächen der Ecken der Membran 1 im wesentlichen punktuell durch die Ansätze 10j gestützt werden.
In diesem Fall ist die Kontaktfläche zwischen der Membran 1 und den Ansätzen 10j extrem reduziert, so daß die Schwingung nicht gedämpft wird, womit die Toncharakteristika verbessert werden.
Außerdem werden in 10 die Stufen 10f an den Seitenwänden 10c und 10e weggelassen.
Nach dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Verschlußplatte 20 mit Ansätzen versehen werden, die an der unteren Fläche angeordnet sind und den Ansätzen 10j des Kastens 10 gegenüberliegen, so daß die Membran zwischen diesen Ansätzen von oben und von unten eingeklemmt wird.
Die 11 und 12 zeigen einen piezoelektrischen elektroakustischen Transducer nach einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind innen verlaufende Stützelemente 10l an vier Ecken der Stufe 10k angeordnet, während eine Stufe 10k längs der gesamten Peripherie innerhalb des Kastens 10 angeordnet ist. Die Stufe 10k und das Stützelement 10l haben die gleiche Höhe. Die Membran 1 ist auf einer Schicht 30 aufgeklebt, die höher ist als die Membran 1. Die vier Ecken der Membran 1 werden auf den Stützelementen 10l angeordnet, während die vier Seiten so angeordnet sind, daß sie nicht auf der Stufe 10k aufliegen. Für die Schicht 30 kann eine elastische Dünnschicht, wie z. B. Polyimid, verwendet werden, die die Biegeschwingung der Membran 1 nicht behindern. Die gesamte Peripherie der Schicht 30 ist auf der Stufe 10k und den Stützelementen 10l des Kastens 10 verklebt oder verschmolzen.
Da in diesem Fall die Schicht 30 die Funktionen der Fixierung der Membran 1 am Kasten 10 und der Versiegelung des Abstandes zum Kasten 10 ebenfalls ausübt, kann das elastische Stützmaterial 13 bzw. der leitende Klebstoff 14 weggelassen werden. Des weiteren gibt es keine Möglichkeit der Dämpfung der Schwingung der Membran 1 aufgrund von übermäßiger Beschichtung mit dem elastischen Dichtmaterial 15.
Darüber hinaus ist die Schicht 30 nicht auf eine im wesentlichen rechteckige Verklebung auf der gesamten Fläche der Membran 1 beschränkt und kann auch eine Rahmenform aufweisen, die lediglich mit der Peripherie der Membran 1 verklebt ist. Weiterhin ist die Schicht 30 nicht darauf beschränkt, lediglich mit der unteren Fläche der Membran 1 verklebt zu werden und kann auch mit der oberen Fläche oder beiden Flächen verklebt werden.
Nach dem hier behandelten bevorzugten Ausführungsbeispiel können konvexe Elemente auf der unteren Fläche der Verschlußplatte 20 in der Weise ausgebildet werden, daß die Ecken der Membran 1 in Richtung der Stützelemente 10l mit den konvexen Elementen beaufschlagt werden, um die vier Ecken der Membran 1 stabil und verläßlich zu stützen.
Obwohl die an dem Kasten 10 angeordneten Anschlüsse in den 11 und 12 weggelassen wurden, sind sie im wesentlichen die gleichen wie die in 2 oder 10 gezeigten. In diesem Fall kann es auch lediglich erforderlich sein, eine Verbindung zwischen den internen Verbindungen der Anschlüsse und den Elektroden der Membran 1 mit den leitenden Klebstoffen herzustellen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele, und sie kann im Geiste und im Rahmen der Erfindung modifiziert werden.
Die piezoelektrische Membran nach bevorzugten Ausführungsbeispielen wird vorzugsweise dadurch hergestellt, daß zwei piezoelektrische Keramikschichten aufgebracht werden. Alternativ kann die piezoelektrische Membran dadurch hergestellt werden, daß drei oder mehrere piezoelektrische Keramikschichten aufgebracht werden.
Des weiteren ist die piezoelektrische Membran nicht auf die aufgebrachte Struktur der piezoelektrischen Keramikschichten beschränkt. Ein Membran, das durch Verkleben einer piezoelektrischen Platte auf einer oder auf beiden Oberflächen einer Metallplatte hergestellt wird, kann ebenfalls verwendet werden.
Die Anschlußelektroden nach der Erfindung sind nicht beschränkt auf den eingesetzten Anschluß nach den bevorzugten Ausführungsbeispielen. Die Anschlußelektrode kann eine Dünnschicht- oder Dickschichtelektrode sein, die sich von der oberen Fläche des Stützelementes des Kastens nach außen hin erstreckt.
Das Gehäuse nach der Erfindung kann eine beliebige Struktur sein, solange es die piezoelektrische Membran aufnimmt und die Funktion hat, dessen vier Ecken zu stützen, und es ist nicht beschränkt auf das Gehäuse, welches durch einen Kasten gebildet wird, der einen konkaven Bereich und eine Verschlußplatte aufweist, die an der oberen Fläche des Kastens anzukleben ist, wie dies bei den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen der Fall ist.

Claims

Piezoelektrischer elektroakustischer Transducer, welcher umfaßt: eine rechteckige piezoelektrische Membran mit Elektroden, welche als Reaktion auf das Anlegen eines alternierenden Signals zwischen den Elektroden Biegeschwingungen in Richtung der Dicke ausführt, und ein Gehäuse, in dem die piezoelektrische Membran angeordnet ist, wobei das Gehäuse mit Stützelementen versehen ist, die so angeordnet sind, daß sie die piezoelektrische Membran stützen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente derart angeordnet sind, daß sie die Membran ausschließlich an ihren vier Ecken stützen, so daß die Membran im Flächenschwingungsmodus schwingt.
Piezoelektrischer elektroakustischer Transducer nach Anspruch 1, welcher des weiteren umfaßt: Anschlußelektroden mit internen Verbindungen, welche in der Nähe der Stützelemente angeordnet sind, und externe Verbindungen, welche auf der externen Fläche des Gehäuses angeordnet und mit den internen Verbindungen elektrisch verbunden sind; und leitende Klebstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der piezoelektrischen Membran und die internen Verbindungen der Anschlußelektroden über die leitenden Klebestoffe elektrisch miteinander verbunden werden.
Piezoelektrischer elektroakustischer Transducer nach Anspruch 1, welcher des weiteren ein elastisches Dichtmittel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lücke zwischen der externen Peripherie der piezoelektrischen Membran und der internen Peripherie des Gehäuses durch das elastische Dichtmittel verschlossen wird.
Piezoelektrischer elektroakustischer Transducer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Membran eine Schicht aufweist, die mit mindestens der externen Peripherie der Membran verbunden ist, und dadurch, daß eine Lücke zwischen der piezoelektrischen Membran und dem Gehäuse durch die Schicht verschlossen wird, welche in der internen Peripherie des Gehäuses verschmolzen oder verklebt wird.
Piezoelektrischer elektroakustischer Transducer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Gehäuse vorgesehenen Stützelemente Ansätze sind, die so angeordnet sind, daß punktuell Bereiche in der Nähe der vier Ecken der piezoelektrischen Membran gestützt werden.
Piezoelektrischer elektroakustischer Transducer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse einen Kasten und eine Verschlußplatte aufweist.
Piezoelektrischer elektroakustischer Transducer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden kleiner sind als eine Seitenlänge der Membran.
Piezoelektrischer elektroakustischer Transducer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden durch ein Harz abgedeckt werden.
Piezoelektrischer elektroakustischer Transducer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Ausschnitte in dem Harz in der Weise ausgebildet werden, daß Teile der Elektroden freigelegt werden.
Piezoelektrischer elektroakustischer Transducer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse vier Seitenwände und an internen Peripherien der vier Seitenwände in einer ringförmigen Anordnung angeordnete Stufen aufweist.
Piezcelektrischer elektroakustischer Transducer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse Anschlüsse und interne Verbindungen für die Anschlüsse aufweist.
Piezoelektrischer elektroakustischer Transducer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die internen Verbindungen der Anschlüsse eine an den Ecken der Membran angeordnete gegabelte Konfiguration aufweisen.
Piezoelektrischer elektroakustischer Transducer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente an den vier Ecken der Membran innerhalb der Stufen liegen und an Positionen angeordnet sind, die niedriger liegen als die Stufen.
Piezoelektrischer elektroakustischer Transducer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Fläche der Membran der Höhe nach den oberen Flächen der internen Verbindungen der Anschlüsse entspricht.
Piezoelektrischer elektroakustischer Transducer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente in der Draufsicht dreieckig ausgebildet sind und die Stützelemente im gleichen Abstand vom Zentrum angeordnet sind.
Piezoelektrischer elektroakustischer Transducer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er des weiteren elastische Stützmaterialien aufweist, die so angeordnet sind, daß die Stützelemente an der Membran befestigt sind.
Piezoelektrischer elektroakustischer Transducer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Stützmaterialien längs angeordnete, elliptische Formen aufweisen.
Piezoelektrischer elektroakustischer Transducer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Stützmaterial ein Urethanklebstoff mit Young-Modul nach Aushärten von ca. 3,7 × 10⁶ Pa ist.
Piezoelektrischer elektroakustischer Transducer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Aufnahmen an vier Ecken des Gehäuses angeordnet sind und Ansätze an den Oberflächen der Aufnahmen in der Weise angeordnet sind, daß sie sich von dort aus erstrecken.
Piezoelektrischer elektroakustischer Transducer nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren Flächen der Ecken der Membran punktuell durch die Ansätze gestützt werden.