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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler, beispielsweise einen piezoelektrischen Melder, einen piezoelektrischen Empfänger und einen piezoelektrischen Lautsprecher, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Verbreitet wird herkömmlicherweise für Elektronik, Haushaltselektrogeräte und ein Mobiltelefon ein piezoelektrischer elektroakustischer Wandler als piezoelektrischer Melder für das Erzeugen eines Warntons oder Betriebstons oder als piezoelektrischer Empfänger verwendet. Der oben erwähnte piezoelektrische elektroakustische Wandler nutzt eine vierseitige piezoelektrische Membran, wodurch die Produktionseffizienz und die Leistungsfähigkeit des akustischen Wandlers verbessert und die Größe verringert werden.
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Die
JP-A-2003/9286 schlägt einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler vor, bei dem eine vierseitige piezoelektrische Membran in einem Gehäuse aufgenommen ist, der Außenumfang der piezoelektrischen Membran von einem an dem Innenumfang des Gehäuses angeordneten Stützteil gelagert wird und eine elastische Dichtungsmasse, z. B. Silikonkautschuk, den Raum zwischen dem Außenumfang der piezoelektrischen Membran und dem Innenumfang des Gehäuses abdichtet. In diesem Fall verbinden leitende Kleber Leiterelektroden der piezoelektrischen Membran und an dem Gehäuse befestigte Anschlussklemmen, um der piezoelektrischen Membran ein elektrisches Signal zuzuführen.
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Die
DE 102 26 384 A1 zeigt einen piezoelektrischen, elektroakustischen Wandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darin wird vorgeschlagen, die Leiterelektroden der piezoelektrischen Membran mit den am Gehäuse vorgesehenen Anschlussklemmen mittels eines leitenden Klebers elektrisch zu verbinden, wobei die Verklebungsstellen an diagonal gegenüberliegenden Ecken der Membran vorgesehen sind.
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Aus der
US 2003/0197569 A1 ist ein Schwingquarz eines IC-Chips bekannt, der frei auskragend gelagert ist und mit Scherschwingungen arbeitet, wobei der Schwingquarz mittels eines leitenden Klebers an zwei gehäuseseitigen Terminals festgeklebt ist.
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Im Allgemeinen enthält der leitende Kleber Duroplast als Grundmaterial und enthält weiterhin einen Füllstoff. Daher hat der leitende Kleber einen hohen Youngschen Modul nach dem Härten und hemmt die Membran leicht. Weiterhin erzeugt die Härtungsschrumpfspannung des leitenden Klebers leicht die Verzerrung der Membran. Neuerdings ist die für den piezoelektrischen elektroakustischen Wandler verwendete Membran äußerst dünn und klein und weist eine Dicke im zwei- oder dreistelligen μm-Bereich auf. Daher beeinflusst der leitende Kleber selbst bei einer äußerst kleinen Beschichtung die Schwingungseigenschaft der Membran ernsthaft.
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Um die aufgrund des leitenden Klebers auf die piezoelektrische Membran ausgeübte Hemmkraft zu unterdrücken, wird herkömmlicherweise ein elastischer Kleber, z. B. Urethanharz, zwischen der piezoelektrischen Membran und der an dem Gehäuse angeordneten Anschlussklemme aufgetragen, und der leitende Kleber wird auf dem elastischen Kleber aufgetragen. In diesem Fall wird der leitende Kleber nahe jeder der beiden Ecken auf den Diagonalen der vier Ecken auf der piezoelektrischen Membran aufgetragen. Da unter dem leitenden Kleber ein elastischer Kleber aufgetragen wird, wird die Härtungsschrumpfspannung des leitenden Klebers gelöst, wodurch die Erzeugung von Verzerrung der Membran verhindert wird.
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Wenn aber die leitenden Kleber wie oben erwähnt nahe den beiden Ecken auf den Diagonalen der piezoelektrischen Membran aufgetragen werden, ist die die Membran hemmende Kraft groß und der Schwingungsknoten befindet sich nahe dem Inneren. Daher ist in vielen Fällen die Wellenlänge der Schwingung kurz und die Resonanzfrequenz hoch.
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Entsprechend der Temperaturänderung unter der Einsatzumgebung ändert sich weiterhin der Youngsche Modul des elastischen Klebers oder des leitenden Klebers und daher ändert sich die Hemmkraft. Infolgedessen ergibt sich das Problem einer großen Änderung der Resonanzfrequenz der Membran aufgrund der Temperaturänderung.
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Offenbarung der Erfindung
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Durch die Erfindung zu lösende Probleme
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Nun besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler an die Hand zu geben, bei dem die Beschichtungspositionen von leitenden Klebern so festgelegt werden, dass sich der Knoten der Schwingungen nach außen verschiebt, die Resonanzfrequenz einer Membran gesenkt und die Änderung der Resonanzfrequenz der Membran infolge der Temperaturänderungen klein ist.
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Mittel zum Lösen der Probleme
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Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen piezoelektrischen, elektroakustischen Wandler gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es wird also erfindungsgemäß vorgeschlagen, die leitenden Kleber zwischen den Leiterelektroden der piezoelektrischen Membran und den inneren Verbindungsteilen der ersten und zweiten Anschlussklemmen an zueinander benachbarten Ecken der piezoelektrischen Membran vorzusehen.
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Herkömmlicherweise werden die leitenden Kleber nahe den beiden Ecken an den diagonalen Positionen der Membran aufgetragen, die Schwingungen werden erhalten, um die an ihren beiden Enden gelagerte Membran annähernd in Schwingung zu versetzen.
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Die leitenden Kleber werden dagegen erfindungsgemäß nahe den Ecken entlang einer Seite der Membran aufgetragen und dann werden die Schwingungen erhalten, um die an ihrem einem Ende gelagerte Membran in Schwingung zu versetzen, wodurch die Membran freier ausgelenkt wird. Dadurch verschiebt sich der Knoten der Schwingungen nach außen, die Wellenlänge der Schwingungen wird verlängert und die Resonanzfrequenz wird gesenkt. Wenn sich weiterhin die Umgebung der Einsatztemperatur ändert, wird die Änderung der Resonanzfrequenz aufgrund der kleinen Änderung der Hemmkraft der Membran aufgrund der Änderung des Youngschen Moduls des leitenden Klebers unterdrückt.
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Nach Anspruch 2 können die Beschichtungsposition eines leitenden Klebers und die eines anderen leitenden Klebers einander quer über die piezoelektrische Membran zugewandt sein. Alternativ können sich nach Anspruch 3 die Beschichtungsposition des einen leitenden Klebers und die des anderen leitenden Klebers auf einer Seite der piezoelektrischen Membran und nahe den Ecken an beiden Enden der einen Seite befinden.
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In jedem Fall werden der Betrieb und die Vorteile nach Anspruch 1 erhalten.
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Wenn die beiden Anschlussklemmen nach Anspruch 2 an den zwei sich quer über das Gehäuse zugewandten Positionen des Gehäuses angeordnet sind, werden die Beschichtungspositionen der leitenden Kleber an den zwei sich quer über die piezoelektrische Membran zugewandten Positionen festgelegt. Dieser Fall ist bevorzugter, da die Beschichtungsform einfach und kurz ist, wenn die beiden Anschlussklemmen an den zwei sich quer über das Gehäuse zugewandten Positionen des Gehäuses angeordnet sind.
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Nach Anspruch 4 kann die piezoelektrische Membran eine unimorphe Membran sein, die durch Anbringen eines vierseitigen piezoelektrischen Elements an einer vierseitigen Metallplatte gebildet wird. Alternativ kann die piezoelektrische Membran nach Anspruch 5 eine bimorphe Membran sein, die durch Laminieren mehrerer piezoelektrischer Keramikschichten, wobei eine Innenelektrode sandwichartig eingeschlossen wird und Hauptoberflächenelektroden an Hauptoberflächen der Vorder- und Rückflächen vorgesehen werden, gebildet wird.
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Bei der unimorphen piezoelektrischen Membran ist eine Leiterelektrode eine an der Oberfläche der piezoelektrischen Membran angeordnete Elektrode und eine andere Leiterelektrode ist die Metallplatte.
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Weiterhin ist bei der piezoelektrischen Membran mit dem laminierten Aufbau eine Leiterelektrode mit der Innenelektrode verbunden und die andere Leiterelektrode ist mit den Hauptoberflächenelektroden verbunden.
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Nach Anspruch 6 kann bevorzugt ein elastischer Kleber zwischen der piezoelektrischen Membran und der Anschlussklemme aufgetragen werden, und der leitende Kleber kann auf den elastischen Kleber aufgetragen werden.
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Eine elastische Dichtungsmasse, z. B. Silikonkautschuk, dichtet den Raum zwischen dem Außenumfang der piezoelektrischen Membran und dem Innenumfang des Gehäuses ab. Vor dem Abdichtvorgang muss die piezoelektrische Membran vorübergehend mit dem Gehäuse verbunden werden. Der Vorgang der vorübergehenden Verbindung wird mit dem elastischen Kleber ausgeführt, wodurch die Positionsgenauigkeit zwischen der piezoelektrischen Membran und dem Gehäuse gewahrt wird. Ferner wird der leitende Kleber beim Härten zusammengezogen und daher wirkt die Härtungsschrumpfspannung auf die piezoelektrische Membran, wodurch die Resonanzfrequenz geändert wird. Da aber der elastische Kleber unter dem leitenden Kleber aufgetragen wird, wird die Härtungsschrumpfspannung des leitenden Klebers durch den elastischen Kleber gelöst, wodurch der Einfluss auf die Spannung auf die piezoelektrische Membran unterdrückt wird. Das oben erwähnte elastische Element ist z. B. ein Kleber der Urethangruppe. Vorzugsweise liegt der Youngsche Modul nach dem Härten nicht über 500 × 106 Pa.
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Vorteile
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Wie klar verständlich ist, werden die leitenden Kleber erfindungsgemäß nahe den Ecken entlang einer Seite der Membran aufgetragen, wodurch die anderen drei Seiten der Membran frei ausgelenkt werden. Dadurch verschiebt sich der Knoten der Schwingungen der Membran nach außen, die Wellenlänge der Schwingungen wird verlängert und die Resonanzfrequenz gesenkt. Ferner wird wegen der kleinen Änderung der Hemmkraft der Membran aufgrund der Änderung des Youngschen Moduls des leitenden Klebers bei Änderung der Umgebung der Einsatztemperatur die Änderung der Resonanzfrequenz unterdrückt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine auseinander gezogen dargestellte perspektivische Ansicht, die einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler nach der ersten erfindungsgemäßen Ausführung zeigt;
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2 ist eine Draufsicht, die eine (vor dem Aufbringen einer elastischen Dichtungsmasse) an einem Gehäuse gehaltene Membran zeigt;
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3 ist eine vergrößerte Querschnittansicht einer in 2 gezeigten Linie III-III;
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4 ist eine vergrößerte Querschnittansicht einer in 2 gezeigten Linie IV-IV;
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5 ist eine Draufsicht, die das für den in 1 gezeigten piezoelektrischen elektroakustischen Wandler verwendete Gehäuse zeigt;
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6 ist eine Querschnittansicht einer in 5 gezeigten Linie VI-VI;
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7 ist eine Querschnittansicht einer in 5 gezeigten Linie VII-VII;
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8 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die die Ecke links unten des in 5 gezeigten Gehäuses zeigt;
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9 ist eine Draufsicht und ein Umrissplan, der die Auslenkung der Membran der ersten erfindungsgemäßen Ausführung zeigt;
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10 ist eine Draufsicht und ein Umrissplan, der die Auslenkung der Membran gemäß einem Vergleich mit der ersten Ausführung zeigt;
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11 ist ein Vergleichsdiagramm, das die Eigenschaft des Schalldrucks zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Vergleich zeigt,
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12 ist ein Diagramm, das den Frequenzänderungsbetrag aufgrund der Temperaturänderung zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Vergleich zeigt;
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13 ist eine Draufsicht, die einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler der zweiten erfindungsgemäßen Ausführung zeigt;
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14 ist eine Draufsicht, die einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler der dritten erfindungsgemäßen Ausführung zeigt;
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15 ist eine perspektivische Ansicht, die eine für den in 14 gezeigten piezoelektrischen elektroakustischen Wandler verwendete piezoelektrische Membran zeigt;
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16 ist ein Analysediagramm, das die Auslenkung der Membran des in 14 gezeigten piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers unter der Verwendung der Finitelementmethode zeigt;
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17 ist eine Draufsicht gemäß einem Vergleich mit der dritten Ausführung;
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18 ist ein Analysediagramm, das die Auslenkung einer in 17 gezeigten Membran unter der Verwendung der Finitelementmethode zeigt;
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19 ist eine perspektivische Ansicht, die eine piezoelektrische Membran der vierten erfindungsgemäßen Ausführung zeigt; und
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20 ist eine Querschnittansicht einer in 19 gezeigten Linie XX-XX.
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Beste Art der Ausführung der Erfindung
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Nachstehend wird eine Beschreibung bevorzugter Ausführungen der vorliegenden Erfindung gegeben.
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Erste Ausführung
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1 bis 8 zeigen ein Beispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers, d. h. eines oberflächenmontierbaren elektroakustischen Wandlers, beispielsweise eines Melders oder Tonrufs, der zur Verwendung mit einer Einzelfrequenz geeignet ist.
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Der elektroakustische Wandler umfasst hauptsächlich eine piezoelektrische Membran 1, ein Gehäuse 10 und eine Abdeckung 20.
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Eine Ummantelung umfasst hier das Gehäuse 10 und die Abdeckung 20.
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Unter Bezug auf 2 umfasst die piezoelektrische Membran 1 nach der ersten Ausführung eine quadratische Metallplatte 2 und ein piezoelektrisches Element 3, das an der Position nahe einer Ecke der oberen Oberfläche der Metallplatte 2 angebracht ist. Das piezoelektrische Element 3 nach der ersten Ausführung ist rechteckig ausgebildet. Das piezoelektrische Element 3 kann aber quadratisch sein. Ein piezoelektrisches Element 3 besteht aus piezoelektrischen Keramiken, beispielsweise PZT. Vorder- und Rückflächen des piezoelektrischen Elements 3 weisen durchgehend Elektroden 3a und 3b (die Elektrode 3b auf der Rückfläche wird nicht gezeigt) auf. Ein alternierendes Signal wird zwischen den Elektroden 3a und 3b auf den Vorder- und Rückflächen angelegt, wodurch sich das piezoelektrische Element 3 in der Richtung der Ebene ausdehnt und zusammenzieht. Vorzugsweise weist die Metallplatte 2 eine gute Leitfähigkeit und auch Federelastizität auf. Die Metallplatte 2 kann zum Beispiel aus Phosphorbronze oder 42Ni hergestellt sein. Hier besteht die Metallplatte 2 aus 42Ni mit dem Wärmeausdehnungskoeffizient, der dem von Keramik nahe kommt (z. B. PZT), mit Maßen in vertikaler Richtung, horizontaler Richtung und Dickenrichtung von 7,6 mm, 7,6 mm und 0,03 mm. Ferner wird das piezoelektrische Element 3 aus einer PZT-Platte mit den Maßen in vertikaler Richtung, horizontaler Richtung und Dickenrichtung von 6,8 mm, 5,6 mm und 0,04 mm hergestellt.
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Wie in 5 bis 8 gezeigt hat das Gehäuse 10 die Form eines quadratischen Kastens mit einer Bodenwand 10a und vier Seitenwänden 10b bis 10e und besteht aus einem Harzmaterial. Vorzugsweise kann das Harzmaterial ein wärmebeständiges Harz sein, zum Beispiel LCP (Flüssigkristallpolymer), SPS (syndiotaktisches Polystyren), PPS (Polyphenylensulfid) oder Epoxidharz. Bei den vier Seitenwänden 10b bis 10e liegen an den zwei Stellen nahe den Ecken in den zugewandten Seitenwänden 10b und 10d gegabelte innere Verbindungsteile 11a und 12a der Anschlussklemmen 11 und 12 frei. Die Anschlussklemmen 11 und 12 sind in das Gehäuse 10 eingeführt und in ihm eingegossen. Äußere Verbindungsteile 11b und 12b, die am Gehäuse 10 außen freiliegen, sind zur unteren Oberfläche des Gehäuses 10 entlang der äußeren Oberflächen der Seitenwände 10b und 10d der Anschlussklemmen 11 und 12 gebogen (siehe 7).
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An vier Innenecken des Gehäuses 10 ist ein Stützteil 10f für das Lagern der unteren Oberfläche der Ecke der Membran 1 ausgebildet. Der Stützteil 10f ist um eine Stufe tiefer als die frei liegenden Oberflächen der inneren Verbindungsteile 11a und 12a der Anschlussklemmen 11 und 12 ausgebildet. Wenn die Membran 1 auf den Stützteil 10f gesetzt wird, weist daher die obere Oberfläche der Membran 1 die gleiche Höhe wie die obere Oberfläche der inneren Verbindungsteile 11a und 12a der Anschlussklemmen 11 und 12 auf bzw. die obere Oberfläche der Membran 1 weist eine Höhe auf, die etwas niedriger als die obere Oberfläche der inneren Verbindungsteile 11a und 12a der Anschlussklemmen 11 und 12 ist.
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Nahe dem Stützteil 10f und an dem Innenumfang der inneren Verbindungsteile 11a und 12a der Anschlussklemmen 11 und 12 ist eine Urethan aufnehmende Stufe 10g mit einer Höhe niedriger als der Stützteil 10f mit einem vorbestimmten Raum zur unteren Oberfläche der Membran 1 ausgebildet. Der Raum zwischen der oberen Oberfläche der Urethan aufnehmenden Stufe 10g und der unteren Oberfläche der Membran 1 (obere Oberfläche des Stützteils 10f) ist mit einer Abmessung zum Verhindern des Fließens eines elastischen Klebers 13 unter Nutzung der Oberflächenspannung des elastischen Klebers 13 ausgelegt, was später beschrieben wird.
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Weiterhin ist am Umfang der Bodenwand 10a des Gehäuses 10 eine Nut 10h für das Füllen mit einer elastischen Dichtungsmasse 15 angeordnet, was später beschrieben wird. In der Nut 10h ist eine Wand 10i zum Verhindern des Herausfließens angeordnet, die niedriger als der Stützteil 10f ist. Die Wand 10i zum Verhindern des Herausfließens regelt das Fließen der elastischen Dichtungsmasse 15 zur Bodenwand 10a. Der Raum zwischen der oberen Oberfläche der Wand 10i und der unteren Oberfläche der Membran 1 (obere Oberfläche des Stützteils 10f) ist mit der Abmessung zum Verhindern des Fließens der elastischen Dichtungsmasse 15 unter Nutzung der Oberflächenspannung derselben ausgelegt.
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Nach der ersten Ausführung ist die Nut 10h mit geringer Tiefe ausgebildet, so dass sich die Bodenfläche der Nut 10h auf der Position befindet, die höher als die obere Oberfläche der Bodenwand 10a ist, und die Nut 10h mit einer etwas geringen Menge an elastischer Dichtungsmasse 15 gefüllt wird, um den äußeren Rand schneit umgeben. Die Nut 10h und die Wand 10i sind am Umfang der Bodenwand 10a angeordnet, wobei die Urethan aufnehmende Stufe log ausgenommen ist. Oder die Nut 10h und die Wand 10i können durchgehend über die gesamte Bodenwand 10a entlang des Innenumfangs der Urethan aufnehmenden Stufe 10g angeordnet sein.
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Weiterhin sind die Anschlussklemmenteile (vier Ecken) der Nut 10h, die mit dem Stützteil 10f und der Urethan aufnehmenden Stufe 10g in Berührung kommen, verglichen mit dem anderen Teil breit ausgebildet. Daher wird der überschüssige Kleber 15 von dem breiten Teil absorbiert und der Kleber 15 verhindert das Fließen zu der Membran 1.
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An zwei Bereichen der zwei benachbarten Ecken ragen nahe der Mitte der Membran 1 statt des Stützteils 10f aufnehmende Unterlagen 10p zum Verhindern der Überamplitude zum Verhindern eines vorbestimmten Betrags an Amplituden der Membran 1 einstückig aus der Bodenwand 10a des Gehäuses 10.
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In den Innenflächen der Seitenwände 10b bis 10e des Gehäuses 10 ist ein vorstehender Teil 10j sich verjüngender Form für das Lenken der vier Seiten der piezoelektrischen Membran 1 angeordnet. Die zwei vorstehenden Teile 10j sind einzeln an den Seitenwänden 10b bis 10e angeordnet.
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An den Innenflächen der oberen Kanten der Seitenwände 10b bis 10e des Gehäuses 10 sind ausgenommene Teile 10k zum Regeln des Ansteigens der elastischen Dichtungsmasse 15 ausgebildet.
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Ferner ist auf der Bodenwand 10a nahe der Seitenwand 10e eine erste Melderöffnung 101 vorgesehen.
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An den oberen Oberflächen der Ecken der Seitenwände 10b bis 10e sind in dem Gehäuse 10 L-förmige vorragende Positionierteile 10m für das Halten und Einpassen der Ecken der Abdeckung 20 ausgebildet. An den Innenflächen der vorragenden Teile 10m sind abgeschrägte Flächen 10n zum Lenken der Abdeckung 20 ausgebildet.
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Nun folgt eine Beschreibung eines Montageverfahrens für den piezoelektrischen elektroakustischen Wandler mit dem oben erwähnten Aufbau.
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Zuerst wird die piezoelektrische Membran 1 in dem Gehäuse 10 so aufgenommen, dass die Metallplatte 2 der Bodenwand zugewandt ist und die vier Ecken der piezoelektrischen Membran 1 von den Stützteilen 10f gelagert werden. In diesem Fall wird der Umfang der Membran 1 durch die vorragenden abgeschrägten Teile 10j, die an den Innenflächen der Seitenwände 10b bis 10e des Gehäuses 10 angeordnet sind, gelenkt. Daher werden die Ecken der Membran 1 präzis auf den Stützteilen 10f platziert.
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Nach Aufnahme der Membran 1 in das Gehäuse 10 wird der elastische Kleber 13 auf zwei Bereichen nahe den benachbarten Ecken der Membran 1 aufgetragen, wodurch die Membran 1 (Metallplatte 2) vorübergehend an dem Gehäuse 10 befestigt wird. Im Einzelnen wird die Metallplatte 2 mit dem einen elastischen Kleber 13 beschichtet, wie in 3 gezeigt wird. Ein auf dem elastischen Kleber 13 aufgetragener leitender Kleber 14 verhindert den Kontaktzustand zur Metallplatte 2. Wenn die Festigkeit für das vorübergehende Befestigen der Membran 1 erhöht werden soll, kann der elastische Kleber 13 die beiden verbleibenden Bereiche nahe den benachbarten Ecken der Membran 1 beschichten. Hier wird der elastische Kleber 13 an der Oberfläche der Außenseite der Membran 1 in einer Linie aufgetragen. Die Beschichtungsform ist aber nicht hierauf beschränkt. Als elastischer Kleber 13 wird vorzugsweise ein Kleber mit einem Youngschen Modul von 500 × 106 Pa oder weniger nach dem Härten verwendet. Nach der ersten Ausführung wird ein Kleber der Urethan-Gruppe mit einem Youngschen Modul von 3,7 × 106 Pa verwendet. Nach dem Auftragen des elastischen Klebers 13 wird der Arbeitsablauf der Erhitzung und Härtung ausgeführt.
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Bei Auftragen des elastischen Klebers 13 könnte der elastische Kleber durch den Raum zwischen der piezoelektrischen Membran 1 und den Anschlussklemmen 11 oder 12 zur Bodenwand 10a fließen und fallen. Wie in 3 dargestellt ist, ist aber die Urethan aufnehmende Stufe 10g an dem unteren Teil der piezoelektrischen Membran 1 in einem Bereich angeordnet, der mit dem elastischen Kleber 13 beschichtet ist. Der Raum zwischen der Urethan aufnehmenden Stufe 10g und der piezoelektrischen Membran 1 ist schmal ausgelegt. Daher wird durch die Oberflächenspannung des elastischen Klebers 13 das Fließen des elastischen Klebers 13 verhindert, wodurch das Fließen zu dem Bodenwandteil 10a verhindert wird. Da ferner der Raum schnell gefüllt wird, wird der überschüssige elastische Kleber 13 mit einem vorragenden Teil zwischen der piezoelektrischen Membran 1 und der Anschlussklemme 11 oder 12 gebildet. Die Schicht des elastischen Klebers 13 ist zwischen der Urethan aufnehmenden Stufe 10g und der piezoelektrischen Membran 1 vorhanden. Dadurch wird die piezoelektrische Membran 1 nicht auf unnötigem Niveau gehalten.
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Nach dem Härten des elastischen Klebers 13 wird der leitende Kleber 14 auf den oberen Bereich des elastischen Klebers 13 aufgetragen. Es können verschiedene leitende Kleber verwendet werden. Nach der ersten Ausführung wird eine leitende Paste der Urethangruppe mit einem Youngschen Modul von 0,3 × 109 Pa nach dem Härten verwendet. Nach dem Auftragen des leitenden Klebers 14 wird der leitende Kleber 14 erhitzt und gehärtet, wodurch die Metallplatte 2 mit dem inneren Verbindungsteil 11a der Anschlussklemme 11 und ferner die Oberflächenelektrode 3a des piezoelektrischen Elements 3 mit dem inneren Verbindungsteil 12a der Anschlussklemme 12 elektrisch verbunden wird. Im Einzelnen wird die Auftragslänge des die Elektrode 3a des piezoelektrischen Elements 3 mit dem inneren Verbindungsteil 12a der Anschlussklemme 12 verbindenden leitenden Klebers 14 verkürzt, da das piezoelektrische Element 3 nahe einer Ecke der Metallplatte 2 positioniert wird. Ferner ist der elastische Kleber 13 unter dem leitenden Kleber 14 vorhanden und beschichtet die Metallplatte 2, wodurch der direkt kontaktierende Zustand des leitenden Klebers 14 zur der Metallplatte 2 verhindert wird. Die Beschichtungsform des leitenden Klebers 14 ist nicht beschränkt und kann über die obere Oberfläche des elastischen Klebers 13 die Metallplatte 2 oder die Oberflächenelektrode 3a des piezoelektrischen Elements 3 mit dem inneren Verbindungsteil 11a der Anschlussklemme 1 oder dem inneren Verbindungsteil 12a der Anschlussklemme 12 verbinden. Der elastische Kleber 13 ragt vor, und daher wird der leitende Kleber 14 wie ein Bogen auf die obere Oberfläche des elastischen Klebers 13 aufgetragen, d. h. der aufgetragene leitende Kleber 14 stellt nicht die kürzeste Strecke dar. Daher wird die Härtungsschrumpfspannung des leitenden Klebers 14 durch den elastischen Kleber 13 verringert, wodurch der Einfluss auf die Membran 1 unterdrückt wird.
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Nach dem Auftragen und Härten des leitenden Klebers 14 wird die elastische Dichtungsmasse 15 in den Raum zwischen dem Gesamtumfang der Membran 1 und dem Innenumfang des Gehäuses 10 eingebracht, wodurch das Austreten von Luft zwischen der Vorderseite und der Rückseite der Membran 1 verhindert wird. Nach kreisförmigem Aufbringen der elastischen Dichtungsmasse 15 wird die elastische Dichtungsmasse 15 erhitzt und gehärtet. Als elastische Dichtungsmasse 15 kann ein thermisch härtender Kleber mit einem Youngschen Modul von 30 × 106 Pa oder weniger nach dem Härten und einem niedrigen Grad an Viskosität vor dem Härten verwendet werden. Hier wird ein Kleber der Silikongruppe als elastische Dichtungsmasse 15 verwendet. Am Innenumfang des Gehäuses 10 ist dem Umfang der Membran 1 zugewandt die Nut 10h angeordnet, um die elastische Dichtungsmasse 15 einzufüllen. In der Nut 10h ist die Wand 10i zum Verhindern des Fließens angeordnet. Die elastische Dichtungsmasse 15 dringt in die Nut 10h ein und wird umlaufend verteilt. Zwischen der Membran 1 und der Wand 10i zum Verhindern des Fließens wird der Raum zum Verhindern des Fließens der elastischen Dichtungsmasse 15 unter Nutzung der Oberflächenspannung derselben gebildet. Das Fließen der elastischen Dichtungsmasse 15 zur Bodenwand 10a wird verhindert. Zwischen der Wand 10i und der piezoelektrischen Membran 1 befindet sich die Schicht aus der elastischen Dichtungsmasse 15. Daher wird die Unterdrückung der Schwingungen der piezoelektrischen Membran 1 verhindert.
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Wie vorstehend erwähnt wird nach Anbringen der Membran 1 an dem Gehäuse 10 die Abdeckung 20 an den oberen Oberflächen der Seitenwände des Gehäuses 10 mit einem Kleber 21 angeklebt. Die Abdeckung 20 ist wie eine Ebene aus dem gleichen Material wie das Gehäuse 10 gebildet. Der Umfang der Abdeckung 20 greift mit den abgeschrägten Innenflächen 10n der vorragenden Positionierteile 10m, die von den oberen Oberflächen der Seitenwände des Gehäuses 10 abstehen, wodurch die präzise Positionierung vorgenommen wird. Die Abdeckung 20 wird an dem Gehäuse 10 angeklebt, wodurch der akustische Raum zwischen der Abdeckung 20 und der Membran 1 gebildet wird. Die Abdeckung 20 weist eine zweite Melderöffnung 22 auf.
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Der oberflächenmontierbare piezoelektrische elektroakustische Wandler wird wie oben erwähnt montiert.
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Nach der ersten Ausführung wird ein vorbestimmtes alternierendes Signal (Wechselstromsignal oder Rechteckwellensignal) zwischen den Anschlussklemmen 11 und 12 angelegt, wodurch das piezoelektrische Element 3 in Richtung der Ebene ohne Ausdehnung und Zusammenziehen der Metallplatte 1 ausgedehnt und zusammengezogen wird. Danach wird die Membran 1 als Ganzes zur Schwingung gebogen. Die elastische Dichtungsmasse 15 dichtet den Zwischenraum zwischen der Vorderseite und der Rückseite der Membran 1 ab. Daher werden durch die Melderöffnung 22 vorbestimmte Schallwellen erzeugt.
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9 zeigt die Beschichtungsposition des leitenden Klebers und die Auslenkung der Membran in dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler.
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10 zeigt die Beschichtungsposition eines leitenden Klebers und die Auslenkung einer Membran in einem piezoelektrischen elektroakustischen Vergleichswandler.
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Erfindungsgemäß wird der leitende Kleber 14 nahe jeder der beiden benachbarten Ecken der Membran 1 aufgetragen. Bei dem Vergleich wird der leitende Kleber 14 dagegen nahe jeder der beiden Ecken auf den Diagonalen der Membran 1 aufgetragen, der elastische Kleber 13 wird auf der Rückseite des leitenden Klebers 14 aufgetragen und die Membran 1 und das Gehäuse 10 haben die gleiche Form.
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Wie unter Bezug auf 10 bei dem Vergleich klar verständlich wird, wird der leitende Kleber 14 nahe jeder der beiden Ecken auf den Diagonalen aufgetragen. Dann befindet sich ein Knoten K von Schwingungen der Membran 1 nahe dem Inneren und die Auslenkung der Schwingungen ist elliptisch. Dadurch wird die Resonanzfrequenz der Membran 1 hoch.
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Erfindungsgemäß wird dagegen der leitende Kleber 14 nahe jeder der beiden Ecken der Membran 1 aufgetragen. Dann verschiebt sich unter Bezug auf 9 der Knoten K der Schwingungen der Membran 1 nach außen und die Auslenkung der Schwingungen ist verzerrungsfrei kreisförmig. Daher wird im Gegensatz zu dem Vergleich die Resonanzfrequenz der Membran 1 gesenkt.
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11 zeigt die Eigenschaften des Schalldrucks bei der vorliegenden Erfindung und beim Vergleich.
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Erfindungsgemäß verschiebt sich die Spitze des Schalldruckpegels gegenüber der des Vergleichs zur Seite der niedrigeren Frequenz.
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12 zeigt den Änderungsbetrag der Frequenz aufgrund der Temperaturänderung bei der vorliegenden Erfindung und beim Vergleich.
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Bei dem Vergleich beträgt der Änderungsbetrag der Frequenz etwa 0,18 kHz, wobei die Änderung der Temperaturen von 25°C bis –40°C reicht. Bei der vorliegenden Erfindung beträgt der Änderungsbetrag der Frequenz dagegen in etwa 0,07 kHz. Die Frequenzänderung aufgrund der Temperaturänderung ist bei der vorliegenden Erfindung niedriger als die Hälfte des Vergleichsbeispiels.
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Zweite Ausführung
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Nach der ersten Ausführung wird der leitende Kleber 14 auf den zugewandten Positionen nahe den beiden benachbarten Ecken der Membran 1 aufgetragen. Unter Bezug auf 13 kann der leitende Kleber aber an den Positionen nahe den beiden Ecken an einer Seite der Membran 1 aufgetragen werden.
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Der oben erwähnte Aufbau kann in dem Fall verwendet werden, da die inneren Verbindungsteile 11a und 12a der Anschlussklemmen 11 und 12 entlang einer Seite des Gehäuses 10 frei liegen.
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Dritte Ausführung
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14 zeigt ein Beispiel eines piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers unter Verwendung der unimorphen Membran 20, wobei sich die Form von der der ersten Ausführung unterscheidet. 15 zeigt die unimorphe Membran 20. Gleiche Teile wie in der ersten Ausführung werden durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet und auf deren Beschreibung wird hier verzichtet.
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Unter Bezug auf 15 weist die Membran 20 ein piezoelektrisches Element 22 auf, das an der Position nahe einer Seite der Metallplatte 21 angebracht ist. Die Materialien der Metallplatte 21 und des piezoelektrischen Elements 22 sind die gleichen wie in der ersten Ausführung. Die Metallplatte 21 weist aber in der vertikalen Richtung, der horizontalen Richtung und der Dickenrichtung die Maße 7,6 mm, 7,6 mm und 0,03 mm auf, und das piezoelektrische Element 22 weist in der vertikalen Richtung, der horizontalen Richtung und der Dickenrichtung die Maße 5,3 mm, 7,6 mm und 0,04 mm auf.
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Nach der dritten Ausführung wird der leitende Kleber 14 auf die zugewandten Positionen nahe den beiden benachbarten Ecken der Membran 20 aufgetragen.
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16 zeigt die Auslenkung der Membran 20, wenn der leitende Kleber 14 auf die Positionen nahe den beiden benachbarten Ecken der Membran 20 aufgetragen ist, wie in 14 gezeigt wird.
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Wie unter Bezug auf 16 klar verständlich wird, wird der leitende Kleber 14 auf die Positionen nahe den beiden benachbarten Ecken der Membran 20 aufgetragen. Daher verschiebt sich der Knoten K der Schwingungen nach außen und die Auslenkung der Schwingungen ist kreisförmig, ohne geringe Verzerrung. Dadurch wird die Resonanzfrequenz der Membran 20 gesenkt.
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17 zeigt das Beispiel, bei dem bei der Membran 20 nach der dritten Ausführung der leitende Kleber 14 auf die Positionen nahe den beiden Ecken auf den Diagonalen aufgetragen ist. 18 zeigt die Auslenkung der Membran 20.
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Unter Bezug auf 18 befindet sich der Knoten K der Schwingungen der Membran 20 nahe dem Inneren an den beiden Ecken auf den Diagonalen, auf denen der leitende Kleber 14 angeordnet ist, und die Auslenkung der Schwingungen wird elliptisch verzerrt. Dadurch ist die Resonanzfrequenz der Membran 20 hoch.
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Wie gemäß der ersten und der dritten Ausführung klar verständlich wird, wird der leitende Kleber unabhängig von den Formen der Membranen 1 und 20 an den Positionen nahe den beiden benachbarten Ecken der Membran aufgetragen. Der Knoten K der Schwingungen verschiebt sich nach außen und die Resonanzfrequenz wird gesenkt.
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Vierte Ausführung
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Die piezoelektrische Membran ist nicht auf die unimorphe Membran beschränkt, die durch Anbringen des piezoelektrischen Elements an der Metallplatte gebildet wird, und kann eine piezoelektrische Membran mit dem bimorphen Aufbau sein, der laminierte Schichten aus piezoelektrischer Keramik umfasst, wie in 19 und 20 gezeigt wird.
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In z. B. der ungeprüften
japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2001-95094 wird eine Membran
30 offenbart. Die Membran
30 wird durch Laminieren von zwei piezoelektrischen Keramikschichten
31 und
32 gebildet, die Hauptoberflächen auf der Vorder- und der Rückseite der Membran
30 weisen Hauptoberflächenelektroden
33 und
34 auf und eine Innenelektrode
35 ist zwischen den Keramikschichten
31 und
32 ausgebildet. Die beiden Keramikschichten
31 und
32 sind in der gleichen Dickenrichtung polarisiert. Die Hauptoberflächenelektrode
33 auf der Vorderseite und die Hauptoberflächenelektrode
34 auf der Rückseite sind mit Längen ausgebildet, die kürzer als die der Seite der Membran
30 sind, und erste Enden der Hauptoberflächenelektrode
33 auf der Vorderseite und der Hauptoberflächenelektrode
34 auf der Rückseite sind mit einer Endelektrode
36 verbunden, die auf einer Endoberfläche der Membran
30 ausgebildet ist. Daher sind die Hauptoberflächenelektrode
33 auf der Vorderseite und die Hauptoberflächenelektrode
34 auf der Rückseite miteinander verbunden. Die Innenelektrode
35 zu den Hauptoberflächenelektroden
33 und
34 symmetrisch ausgebildet, ein Ende der Innenelektrode
35 ist von der Endelektrode
36 getrennt und das andere Ende der Innenelektrode
35 ist mit einer Endelektrode
37 verbunden, die an einer anderen Endoberfläche der Membran
30 ausgebildet ist. Eine Hilfselektrode
38, die zu der Endelektrode
37 leitend ist, ist an der Vorder- und Rückseite des anderen Endes der Membran
30 ausgebildet.
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An der Vorder- und Rückfläche der Membran 30 ist eine Harzschicht 39 zum Beschichten der Hauptoberflächenelektroden 33 und 34 ausgebildet. Die Harzschicht 39 ist so angeordnet, dass sie die Festigkeit bei Fallen verbessert, da die Membran 30 aus Keramikmaterial gefertigt ist. Ferner umfasst die Harzschicht 39 auf der Vorder- und Rückseite nahe zwei benachbarten Ecken der Membran 30 eine Kerbe 39a, in der die Hauptoberflächenelektroden 33 und 34 frei liegen, sowie eine Kerbe 39b, in der die Hilfselektrode 38 frei liegt.
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Die Kerben 39a und 39b können nur an einer von Vorder- und Rückseite angeordnet werden. In der Ausführung sind die Kerben 39a und 39b sowohl an der Vorder- als auch an der Rückseite angeordnet, um die fehlende Richtcharakteristik der Vorder- und Rückseiten zu erhalten.
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Ferner muss die Hilfselektrode 38 keine Bandelektrode mit konstanter Breite aufweisen. Die Hilfselektrode kann nur an der der Kerbe 39b entsprechenden Position angeordnet werden.
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Die Membran 30 ist ähnlich wie in 5 bis 8 gezeigt in dem Gehäuse 10 aufgenommen, der elastische Kleber 13 wird zwischen der in Kerbe 39a frei liegenden Hauptoberflächenelektrode 33 an der zugewandten Position und dem inneren Verbindungsteil 11a der Anschlussklemme 11 sowie zwischen der in der Kerbe 39b frei liegenden Hilfselektrode 38 und dem inneren Verbindungsteil 12a der Anschlussklemme 12 aufgetragen und die Membran 30 wird vorübergehend an dem Gehäuse 10 befestigt.
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Danach wird ähnlich wie bei der ersten Ausführung der leitende Kleber 14 auf dem elastischen Kleber 13 aufgetragen und gehärtet. Weiterhin wird die elastische Dichtungsmasse 15 aufgebracht, um den Raum zwischen dem Außenumfang der Membran 30 und dem Innenumfang des Gehäuses 10 abzudichten.
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Nach der vierten Ausführung wird der leitende Kleber 14 an den Positionen nahe den benachbarten Ecken der Membran 30 aufgetragen. Daher ist die Hemmkraft der Membran 30 verglichen mit dem Fall des Auftrags des leitenden Klebers an den Positionen nahe den beiden Ecken auf der Diagonale geringer. Demgemäß verschiebt sich der Knoten der Schwingungen nach außen und die Resonanzfrequenz wird gesenkt.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben erwähnten Ausführungen beschränkt und kann ohne Abweichen von den Grundlagen der vorliegenden Erfindung abgewandelt werden.
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Gemäß den Ausführungen ist das piezoelektrische Element 3 eine einzelne Platte. An Stelle der einzelnen piezoelektrischen Platte 3 kann die vorliegende Erfindung eine Membran verwenden, die durch Anbringen eines die Harzschicht 39 der piezoelektrischen Membran 30 gemäß der dritten Ausführung ausschließenden Elements an einer Metallplatte gebildet wird.
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Nach den Ausführungen ist die Membran in etwa quadratisch, doch kann die Membran rechteckig sein. In diesem Fall kann der leitende Kleber bevorzugt an den Positionen nahe den Ecken an beiden Enden einer kurzen Seite aufgetragen werden.
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Bei der Membran mit dem unimorphen Aufbau, wie sie in 1 gezeigt wird, wird das piezoelektrische Element nahe einer Ecke der Metallplatte angebracht. Ferner kann die Membran durch Anbringen des piezoelektrischen Elements in der Mitte der Metallplatte gebildet werden oder kann durch Anbringen des piezoelektrischen Elements an einer Seite der Metallplatte gebildet werden.
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Wie vorstehend erwähnt kann die erfindungsgemäße piezoelektrische Membran eine beliebige Form und einen beliebigen Aufbau aufweisen, solange die piezoelektrische Membran vierseitig ist.