DE112005000037T5 - Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler - Google Patents
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Abstract
Piezoelektrischer
elektroakustischer Wandler mit:
– einer vierseitigen piezoelektrischen Membran, die durch Anlegen eines alternierenden Signals an deren Leiterelektroden zur Schwingung in die Dickenrichtung gebogen wird;
– einem Gehäuse, das einen an einem Innenumfang des Gehäuses angeordneten Stützteil umfasst, wobei der Stützteil den Außenumfang der piezoelektrischen Membran stützt;
– ersten und zweiten Anschlussklemmen, die so an dem Gehäuse befestigt sind, dass die inneren Verbindungsteile an dem Innenumfang des Gehäuses frei liegen; und
– leitenden Klebern, die zwischen den Leiterelektroden der piezoelektrischen Membran und den inneren Verbindungsteilen der ersten und zweiten Anschlussklemmen aufgetragen und gehärtet werden, wodurch die leitenden Kleber die Leiterelektroden mit den inneren Verbindungsteilen der ersten und zweiten Anschlussklemmen elektrisch verbinden,
wobei einer der leitenden Kleber zwischen dem inneren Verbindungsteil der ersten Anschlussklemme und einer der Leiterelektroden nahe einer Ecke der piezoelektrischen Membran aufgetragen und gehärtet wird und
der andere leitende Kleber zwischen dem...
– einer vierseitigen piezoelektrischen Membran, die durch Anlegen eines alternierenden Signals an deren Leiterelektroden zur Schwingung in die Dickenrichtung gebogen wird;
– einem Gehäuse, das einen an einem Innenumfang des Gehäuses angeordneten Stützteil umfasst, wobei der Stützteil den Außenumfang der piezoelektrischen Membran stützt;
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der andere leitende Kleber zwischen dem...
Description
- Technisches Gebiet
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler, beispielsweise einen piezoelektrischen Melder, einen piezoelektrischen Empfänger und einen piezoelektrischen Lautsprecher.
- Stand der Technik
- 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.
- Patentschrift 1 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.
Patentschrift 1: ungeprüfte japanische Patentanmeldung Veröffentlichungsnr. 2003-9286 - 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Offenbarung der Erfindung
- Durch die Erfindung zu lösende Probleme
- 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.
- Mittel zum Lösen der Probleme
- Zur Verwirklichung der Aufgabe wird gemäß der Erfindung nach Anspruch 1 ein piezoelektrischer elektroakustischer Wandler an die Hand gegeben, welcher umfasst: eine vierseitige piezoelektrische Membran, die zur Schwingung in die Dickenrichtung durch Anlegen eines alternierenden Signals an Leiterelektroden gebogen wird; ein Gehäuse mit einem an einem Innenumfang des Gehäuses angeordneten Stützteil, wobei der Stützteil den Außenumfang der piezoelektrischen Membran lagert; erste und zweite Anschlussklemmen, die so an den Gehäuse befestigt sind, dass innere Verbindungsteile am Innenumfang des Gehäuses freiliegen; und leitende Kleber, die zwischen den Leiterelektroden der piezoelektrischen Membran und den inneren Verbindungsteilen der ersten und zweiten Anschlussklemmen aufgetragen und gehärtet werden, wodurch die leitenden Kleber die Leiterelektroden mit den inneren Verbindungsteilen der ersten und zweiten Anschlussklemmen elektrisch verbinden, wobei einer der leitenden Kleber zwischen dem inneren Verbindungsteil der ersten Anschlussklemme und einer der Leiterelektroden nahe einer Ecke der piezoelektrischen Membran aufgetragen und gehärtet wird und der andere leitende Kleber zwischen dem inneren Verbindungsteil der zweiten Anschlussklemme und der anderen Leiterelektrode nahe einer anderen Ecke neben der einen Ecke aufgetragen und gehärtet wird.
- 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.
- 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.
- 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.
- In jedem Fall werden der Betrieb und die Vorteile nach Anspruch 1 erhalten.
- 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.
- 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.
- Bei der unimorphen piezoelektrischen Membran ist eine Leiterelektrode eine an der Oberfläche der piezoelektrischen Membran angeordnete Elektrode und eine andere Leiterelektrode ist die Metallplatte.
- 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.
- 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.
- 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.
- Vorteile
- 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.
- Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 ist eine auseinander gezogen dargestellte perspektivische Ansicht, die einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler nach der ersten erfindungsgemäßen Ausführung zeigt; -
2 ist eine Draufsicht, die eine (vor dem Aufbringen einer elastischen Dichtungsmasse) an einem Gehäuse gehaltene Membran zeigt; -
3 ist eine vergrößerte Querschnittansicht einer in2 gezeigten Linie III-III; -
4 ist eine vergrößerte Querschnittansicht einer in2 gezeigten Linie IV-IV; -
5 ist eine Draufsicht, die das für den in1 gezeigten piezoelektrischen elektroakustischen Wandler verwendete Gehäuse zeigt; -
6 ist eine Querschnittansicht einer in5 gezeigten Linie VI-VI; -
7 ist eine Querschnittansicht einer in5 gezeigten Linie VII-VII; -
8 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die die Ecke links unten des in5 gezeigten Gehäuses zeigt; -
9 ist eine Draufsicht und ein Umrissplan, der die Auslenkung der Membran der ersten erfindungsgemäßen Ausführung zeigt; -
10 ist eine Draufsicht und ein Umrissplan, der die Auslenkung der Membran gemäß einem Vergleich mit der ersten Ausführung zeigt; -
11 ist ein Vergleichsdiagramm, das die Eigenschaft des Schalldrucks zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Vergleich zeigt, -
12 ist ein Diagramm, das den Frequenzänderungsbetrag aufgrund der Temperaturänderung zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Vergleich zeigt; -
13 ist eine Draufsicht, die einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler der zweiten erfindungsgemäßen Ausführung zeigt; -
14 ist eine Draufsicht, die einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler der dritten erfindungsgemäßen Ausführung zeigt; -
15 ist eine perspektivische Ansicht, die eine für den in14 gezeigten piezoelektrischen elektroakustischen Wandler verwendete piezoelektrische Membran zeigt; -
16 ist ein Analysediagramm, das die Auslenkung der Membran des in14 gezeigten piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers unter der Verwendung der Finitelementmethode zeigt; -
17 ist eine Draufsicht gemäß einem Vergleich mit der dritten Ausführung; -
18 ist ein Analysediagramm, das die Auslenkung einer in17 gezeigten Membran unter der Verwendung der Finitelementmethode zeigt; -
19 ist eine perspektivische Ansicht, die eine piezoelektrische Membran der vierten erfindungsgemäßen Ausführung zeigt; und -
20 ist eine Querschnittansicht einer in19 gezeigten Linie XX-XX. - Beste Art der Ausführung der Erfindung
- Nachstehend wird eine Beschreibung bevorzugter Ausführungen der vorliegenden Erfindung gegeben.
- Erste Ausführung
-
1 bis8 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. - Der elektroakustische Wandler umfasst hauptsächlich eine piezoelektrische Membran
1 , ein Gehäuse10 und eine Abdeckung20 . - Eine Ummantelung umfasst hier das Gehäuse
10 und die Abdeckung20 . - Unter Bezug auf
2 umfasst die piezoelektrische Membran1 nach der ersten Ausführung eine quadratische Metallplatte2 und ein piezoelektrisches Element3 , das an der Position nahe einer Ecke der oberen Oberfläche der Metallplatte2 angebracht ist. Das piezoelektrische Element3 nach der ersten Ausführung ist rechteckig ausgebildet. Das piezoelektrische Element3 kann aber quadratisch sein. Ein piezoelektrisches Element3 besteht aus piezoelektrischen Keramiken, beispielsweise PZT. Vorder- und Rückflächen des piezoelektrischen Elements3 weisen durchgehend Elektroden3a und3b (die Elektrode3b auf der Rückfläche wird nicht gezeigt) auf. Ein alternierendes Signal wird zwischen den Elektroden3a und3b auf den Vorder- und Rückflächen angelegt, wodurch sich das piezoelektrische Element3 in der Richtung der Ebene ausdehnt und zusammenzieht. Vorzugsweise weist die Metallplatte2 eine gute Leitfähigkeit und auch Federelastizität auf. Die Metallplatte2 kann zum Beispiel aus Phosphorbronze oder 42Ni hergestellt sein. Hier besteht die Metallplatte2 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 Element3 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. - Wie in
5 bis8 gezeigt hat das Gehäuse10 die Form eines quadratischen Kastens mit einer Bodenwand10a und vier Seitenwänden10b bis10e 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 Seitenwänden10b bis10e liegen an den zwei Stellen nahe den Ecken in den zugewandten Seitenwänden10b und10d gegabelte innere Verbindungsteile11a und12a der Anschlussklemmen11 und12 frei. Die Anschlussklemmen11 und12 sind in das Gehäuse10 eingeführt und in ihm eingegossen. Äußere Verbindungsteile11b und12b , die am Gehäuse10 außen freiliegen, sind zur unteren Oberfläche des Gehäuses10 entlang der äußeren Oberflächen der Seitenwände10b und10d der Anschlussklemmen11 und12 gebogen (siehe7 ). - An vier Innenecken des Gehäuses
10 ist ein Stützteil10f für das Lagern der unteren Oberfläche der Ecke der Membran1 ausgebildet. Der Stützteil10f ist um eine Stufe tiefer als die frei liegenden Oberflächen der inneren Verbindungsteile11a und12a der Anschlussklemmen11 und12 ausgebildet. Wenn die Membran1 auf den Stützteil10f gesetzt wird, weist daher die obere Oberfläche der Membran1 die gleiche Höhe wie die obere Oberfläche der inneren Verbindungsteile11a und12a der Anschlussklemmen11 und12 auf bzw. die obere Oberfläche der Membran1 weist eine Höhe auf, die etwas niedriger als die obere Oberfläche der inneren Verbindungsteile11a und12a der Anschlussklemmen11 und12 ist. - Nahe dem Stützteil
10f und an dem Innenumfang der inneren Verbindungsteile11a und12a der Anschlussklemmen11 und12 ist eine Urethan aufnehmende Stufe10g mit einer Höhe niedriger als der Stützteil10f mit einem vorbestimmten Raum zur unteren Oberfläche der Membran1 ausgebildet. Der Raum zwischen der oberen Oberfläche der Urethan aufnehmenden Stufe10g und der unteren Oberfläche der Membran1 (obere Oberfläche des Stützteils10f ) ist mit einer Abmessung zum Verhindern des Fließens eines elastischen Klebers13 unter Nutzung der Oberflächenspannung des elastischen Klebers13 ausgelegt, was später beschrieben wird. - Weiterhin ist am Umfang der Bodenwand
10a des Gehäuses10 eine Nut10h für das Füllen mit einer elastischen Dichtungsmasse15 angeordnet, was später beschrieben wird. In der Nut10h ist eine Wand10i zum Verhindern des Herausfließens angeordnet, die niedriger als der Stützteil10f ist. Die Wand10i zum Verhindern des Herausfließens regelt das Fließen der elastischen Dichtungsmasse15 zur Bodenwand10a . Der Raum zwischen der oberen Oberfläche der Wand10i und der unteren Oberfläche der Membran1 (obere Oberfläche des Stützteils10f ) ist mit der Abmessung zum Verhindern des Fließens der elastischen Dichtungsmasse15 unter Nutzung der Oberflächenspannung derselben ausgelegt. - Nach der ersten Ausführung ist die Nut
10h mit geringer Tiefe ausgebildet, so dass sich die Bodenfläche der Nut10h auf der Position befindet, die höher als die obere Oberfläche der Bodenwand10a ist, und die Nut10h mit einer etwas geringen Menge an elastischer Dichtungsmasse15 gefüllt wird, um den äußeren Rand schnell umgeben. Die Nut10h und die Wand10i sind am Umfang der Bodenwand10a angeordnet, wobei die Urethan aufnehmende Stufe10g ausgenommen ist. Oder die Nut10h und die Wand10i können durchgehend über die gesamte Bodenwand10a entlang des Innenumfangs der Urethan aufnehmenden Stufe10g angeordnet sein. - Weiterhin sind die Anschlussklemmenteile (vier Ecken) der Nut
10h , die mit dem Stützteil10f und der Urethan aufnehmenden Stufe10g in Berührung kommen, verglichen mit dem anderen Teil breit ausgebildet. Daher wird der überschüssige Kleber15 von dem breiten Teil absorbiert und der Kleber15 verhindert das Fließen zu der Membran1 . - An zwei Bereichen der zwei benachbarten Ecken ragen nahe der Mitte der Membran
1 statt des Stützteils10f aufnehmende Unterlagen10p zum Verhindern der Überamplitude zum Verhindern eines vorbestimmten Betrags an Amplituden der Membran1 einstückig aus der Bodenwand10a des Gehäuses10 . - In den Innenflächen der Seitenwände
10b bis10e des Gehäuses10 ist ein vorstehender Teil10j sich verjüngender Form für das Lenken der vier Seiten der piezoelektrischen Membran1 angeordnet. Die zwei vorstehenden Teile10j sind einzeln an den Seitenwänden10b bis10e angeordnet. - An den Innenflächen der oberen Kanten der Seitenwände
10b bis10e des Gehäuses10 sind ausgenommene Teile10k zum Regeln des Ansteigens der elastischen Dichtungsmasse15 ausgebildet. - Ferner ist auf der Bodenwand
10a nahe der Seitenwand10e eine erste Melderöffnung10l vorgesehen. - An den oberen Oberflächen der Ecken der Seitenwände
10b bis10e sind in dem Gehäuse10 L-förmige vorragende Positionierteile10m für das Halten und Einpassen der Ecken der Abdeckung20 ausgebildet. An den Innenflächen der vorragenden Teile10m sind abgeschrägte Flächen10n zum Lenken der Abdeckung20 ausgebildet. - Nun folgt eine Beschreibung eines Montageverfahrens für den piezoelektrischen elektroakustischen Wandler mit dem oben erwähnten Aufbau.
- Zuerst wird die piezoelektrische Membran
1 in dem Gehäuse10 so aufgenommen, dass die Metallplatte2 der Bodenwand zugewandt ist und die vier Ecken der piezoelektrischen Membran1 von den Stützteilen10f gelagert werden. In diesem Fall wird der Umfang der Membran1 durch die vorragenden abgeschrägten Teile10j , die an den Innenflächen der Seitenwände10b bis10e des Gehäuses10 angeordnet sind, gelenkt. Daher werden die Ecken der Membran1 präzis auf den Stützteilen10f platziert. - Nach Aufnahme der Membran
1 in das Gehäuse10 wird der elastische Kleber13 auf zwei Bereichen nahe den benachbarten Ecken der Membran1 aufgetragen, wodurch die Membran1 (Metallplatte2 ) vorübergehend an dem Gehäuse10 befestigt wird. Im Einzelnen wird die Metallplatte2 mit dem einen elastischen Kleber13 beschichtet, wie in3 gezeigt wird. Ein auf dem elastischen Kleber13 aufgetragener leitender Kleber14 verhindert den Kontaktzustand zur Metallplatte2 . Wenn die Festigkeit für das vorübergehende Befestigen der Membran1 erhöht werden soll, kann der elastische Kleber13 die beiden verbleibenden Bereiche nahe den benachbarten Ecken der Membran1 beschichten. Hier wird der elastische Kleber13 an der Oberfläche der Außenseite der Membran1 in einer Linie aufgetragen. Die Beschichtungsform ist aber nicht hierauf beschränkt. Als elastischer Kleber13 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 Klebers13 wird der Arbeitsablauf der Erhitzung und Härtung ausgeführt. - Bei Auftragen des elastischen Klebers
13 könnte der elastische Kleber durch den Raum zwischen der piezoelektrischen Membran1 und den Anschlussklemmen11 oder12 zur Bodenwand10a fließen und fallen. Wie in3 dargestellt ist, ist aber die Urethan aufnehmende Stufe10g an dem unteren Teil der piezoelektrischen Membran1 in einem Bereich angeordnet, der mit dem elastischen Kleber13 beschichtet ist. Der Raum zwischen der Urethan aufnehmenden Stufe10g und der piezoelektrischen Membran1 ist schmal ausgelegt. Daher wird durch die Oberflächenspannung des elastischen Klebers13 das Fließen des elastischen Klebers13 verhindert, wodurch das Fließen zu dem Bodenwandteil10a verhindert wird. Da ferner der Raum schnell gefüllt wird, wird der überschüssige elastische Kleber13 mit einem vorragenden Teil zwischen der piezoelektrischen Membran1 und der Anschlussklemme11 oder12 gebildet. Die Schicht des elastischen Klebers13 ist zwischen der Urethan aufnehmenden Stufe10g und der piezoelektrischen Membran1 vorhanden. Dadurch wird die piezoelektrische Membran1 nicht auf unnötigem Niveau gehalten. - Nach dem Härten des elastischen Klebers
13 wird der leitende Kleber14 auf den oberen Bereich des elastischen Klebers13 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 Klebers14 wird der leitende Kleber14 erhitzt und gehärtet, wodurch die Metallplatte2 mit dem inneren Verbindungsteil11a der Anschlussklemme11 und ferner die Oberflächenelektrode3a des piezoelektrischen Elements3 mit dem inneren Verbindungsteil12a der Anschlussklemme12 elektrisch verbunden wird. Im Einzelnen wird die Auftragslänge des die Elektrode3a des piezoelektrischen Elements3 mit dem inneren Verbindungsteil12a der Anschlussklemme12 verbindenden leitenden Klebers14 verkürzt, da das piezoelektrische Element3 nahe einer Ecke der Metallplatte2 positioniert wird. Ferner ist der elastische Kleber13 unter dem leitenden Kleber14 vorhanden und beschichtet die Metallplatte2 , wodurch der direkt kontaktierende Zustand des leitenden Klebers14 zur der Metallplatte2 verhindert wird. Die Beschichtungsform des leitenden Klebers14 ist nicht beschränkt und kann über die obere Oberfläche des elastischen Klebers13 die Metallplatte2 oder die Oberflächenelektrode3a des piezoelektrischen Elements3 mit dem inneren Verbindungsteil11a der Anschlussklemme1 oder dem inneren Verbindungsteil12a der Anschlussklemme12 verbinden. Der elastische Kleber13 ragt vor, und daher wird der leitende Kleber14 wie ein Bogen auf die obere Oberfläche des elastischen Klebers13 aufgetragen, d.h. der aufgetragene leitende Kleber14 stellt nicht die kürzeste Strecke dar. Daher wird die Härtungsschrumpfspannung des leitenden Klebers14 durch den elastischen Kleber13 verringert, wodurch der Einfluss auf die Membran1 unterdrückt wird. - Nach dem Auftragen und Härten des leitenden Klebers
14 wird die elastische Dichtungsmasse15 in den Raum zwischen dem Gesamtumfang der Membran1 und dem Innenumfang des Gehäuses10 eingebracht, wodurch das Austreten von Luft zwischen der Vorderseite und der Rückseite der Membran1 verhindert wird. Nach kreisförmigem Aufbringen der elastischen Dichtungsmasse15 wird die elastische Dichtungsmasse15 erhitzt und gehärtet. Als elastische Dichtungsmasse15 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 Dichtungsmasse15 verwendet. Am Innenumfang des Gehäuses10 ist dem Umfang der Membran1 zugewandt die Nut10h angeordnet, um die elastische Dichtungsmasse15 einzufüllen. In der Nut10h ist die Wand10i zum Verhindern des Fließens angeordnet. Die elastische Dichtungsmasse15 dringt in die Nut10h ein und wird umlaufend verteilt. Zwischen der Membran1 und der Wand10i zum Verhindern des Fließens wird der Raum zum Verhindern des Fließens der elastischen Dichtungsmasse15 unter Nutzung der Oberflächenspannung derselben gebildet. Das Fließen der elastischen Dichtungsmasse15 zur Bodenwand10a wird verhindert. Zwischen der Wand10i und der piezoelektrischen Membran1 befindet sich die Schicht aus der elastischen Dichtungsmasse15 . Daher wird die Unterdrückung der Schwingungen der piezoelektrischen Membran1 verhindert. - Wie vorstehend erwähnt wird nach Anbringen der Membran
1 an dem Gehäuse10 die Abdeckung20 an den oberen Oberflächen der Seitenwände des Gehäuses10 mit einem Kleber21 angeklebt. Die Abdeckung20 ist wie eine Ebene aus dem gleichen Material wie das Gehäuse10 gebildet. Der Umfang der Abdeckung20 greift mit den abgeschrägten Innenflächen10n der vorragenden Positionierteile10m , die von den oberen Oberflächen der Seitenwände des Gehäuses10 abstehen, wodurch die präzise Positionierung vorgenommen wird. Die Abdeckung20 wird an dem Gehäuse10 angeklebt, wodurch der akustische Raum zwischen der Abdeckung20 und der Membran1 gebildet wird. Die Abdeckung20 weist eine zweite Melderöffnung22 auf. - Der oberflächenmontierbare piezoelektrische elektroakustische Wandler wird wie oben erwähnt montiert.
- Nach der ersten Ausführung wird ein vorbestimmtes alternierendes Signal (Wechselstromsignal oder Rechteckwellensignal) zwischen den Anschlussklemmen
11 und12 angelegt, wodurch das piezoelektrische Element3 in Richtung der Ebene ohne Ausdehnung und Zusammenziehen der Metallplatte1 ausgedehnt und zusammengezogen wird. Danach wird die Membran1 als Ganzes zur Schwingung gebogen. Die elastische Dichtungsmasse15 dichtet den Zwischenraum zwischen der Vorderseite und der Rückseite der Membran1 ab. Daher werden durch die Melderöffnung22 vorbestimmte Schallwellen erzeugt. -
9 zeigt die Beschichtungsposition des leitenden Klebers und die Auslenkung der Membran in dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler. -
10 zeigt die Beschichtungsposition eines leitenden Klebers und die Auslenkung einer Membran in einem piezoelektrischen elektroakustischen Vergleichswandler. - Erfindungsgemäß wird der leitende Kleber
14 nahe jeder der beiden benachbarten Ecken der Membran1 aufgetragen. Bei dem Vergleich wird der leitende Kleber14 dagegen nahe jeder der beiden Ecken auf den Diagonalen der Membran1 aufgetragen, der elastische Kleber13 wird auf der Rückseite des leitenden Klebers14 aufgetragen und die Membran1 und das Gehäuse10 haben die gleiche Form. - Wie unter Bezug auf
10 bei dem Vergleich klar verständlich wird, wird der leitende Kleber14 nahe jeder der beiden Ecken auf den Diagonalen aufgetragen. Dann befindet sich ein Knoten K von Schwingungen der Membran1 nahe dem Inneren und die Auslenkung der Schwingungen ist elliptisch. Dadurch wird die Resonanzfrequenz der Membran1 hoch. - Erfindungsgemäß wird dagegen der leitende Kleber
14 nahe jeder der beiden Ecken der Membran1 aufgetragen. Dann verschiebt sich unter Bezug auf9 der Knoten K der Schwingungen der Membran1 nach außen und die Auslenkung der Schwingungen ist verzerrungsfrei kreisförmig. Daher wird im Gegensatz zu dem Vergleich die Resonanzfrequenz der Membran1 gesenkt. -
11 zeigt die Eigenschaften des Schalldrucks bei der vorliegenden Erfindung und beim Vergleich. - Erfindungsgemäß verschiebt sich die Spitze des Schalldruckpegels gegenüber der des Vergleichs zur Seite der niedrigeren Frequenz.
-
12 zeigt den Änderungsbetrag der Frequenz aufgrund der Temperaturänderung bei der vorliegenden Erfindung und beim Vergleich. - 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.
- Zweite Ausführung
- Nach der ersten Ausführung wird der leitende Kleber
14 auf den zugewandten Positionen nahe den beiden benachbarten Ecken der Membran1 aufgetragen. Unter Bezug auf13 kann der leitende Kleber aber an den Positionen nahe den beiden Ecken an einer Seite der Membran1 aufgetragen werden. - Der oben erwähnte Aufbau kann in dem Fall verwendet werden, da die inneren Verbindungsteile
11a und12a der Anschlussklemmen11 und12 entlang einer Seite des Gehäuses10 frei liegen. - Dritte Ausführung
-
14 zeigt ein Beispiel eines piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers unter Verwendung der unimorphen Membran20 , wobei sich die Form von der der ersten Ausführung unterscheidet.15 zeigt die unimorphe Membran20 . Gleiche Teile wie in der ersten Ausführung werden durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet und auf deren Beschreibung wird hier verzichtet. - Unter Bezug auf
15 weist die Membran20 ein piezoelektrisches Element22 auf, das an der Position nahe einer Seite der Metallplatte21 angebracht ist. Die Materialien der Metallplatte21 und des piezoelektrischen Elements22 sind die gleichen wie in der ersten Ausführung. Die Metallplatte21 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 Element22 weist in der vertikalen Richtung, der horizontalen Richtung und der Dickenrichtung die Maße 5,3 mm, 7,6 mm und 0,04 mm auf. - Nach der dritten Ausführung wird der leitende Kleber
14 auf die zugewandten Positionen nahe den beiden benachbarten Ecken der Membran20 aufgetragen. -
16 zeigt die Auslenkung der Membran20 , wenn der leitende Kleber14 auf die Positionen nahe den beiden benachbarten Ecken der Membran20 aufgetragen ist, wie in14 gezeigt wird. - Wie unter Bezug auf
16 klar verständlich wird, wird der leitende Kleber14 auf die Positionen nahe den beiden benachbarten Ecken der Membran20 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 Membran20 gesenkt. -
17 zeigt das Beispiel, bei dem bei der Membran20 nach der dritten Ausführung der leitende Kleber14 auf die Positionen nahe den beiden Ecken auf den Diagonalen aufgetragen ist.18 zeigt die Auslenkung der Membran20 . - Unter Bezug auf
18 befindet sich der Knoten K der Schwingungen der Membran20 nahe dem Inneren an den beiden Ecken auf den Diagonalen, auf denen der leitende Kleber14 angeordnet ist, und die Auslenkung der Schwingungen wird elliptisch verzerrt. Dadurch ist die Resonanzfrequenz der Membran20 hoch. - Wie gemäß der ersten und der dritten Ausführung klar verständlich wird, wird der leitende Kleber unabhängig von den Formen der Membranen
1 und20 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. - Vierte Ausführung
- 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 und20 gezeigt wird. - In z.B. der ungeprüften japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2001-95094 wird eine Membran
30 offenbart. Die Membran30 wird durch Laminieren von zwei piezoelektrischen Keramikschichten31 und32 gebildet, die Hauptoberflächen auf der Vorder- und der Rückseite der Membran30 weisen Hauptoberflächenelektroden33 und34 auf und eine Innenelektrode35 ist zwischen den Keramikschichten31 und32 ausgebildet. Die beiden Keramikschichten31 und32 sind in der gleichen Dickenrichtung polarisiert. Die Hauptoberflächenelektrode33 auf der Vorderseite und die Hauptoberflächenelektrode34 auf der Rückseite sind mit Längen ausgebildet, die kürzer als die der Seite der Membran30 sind, und erste Enden der Hauptoberflächenelektrode33 auf der Vorderseite und der Hauptoberflächenelektrode34 auf der Rückseite sind mit einer Endelektrode36 verbunden, die auf einer Endoberfläche der Membran30 ausgebildet ist. Daher sind die Hauptoberflächenelektrode33 auf der Vorderseite und die Hauptoberflächenelektrode34 auf der Rückseite miteinander verbunden. Die Innenelektrode35 zu den Hauptoberflächenelektroden33 und34 symmetrisch ausgebildet, ein Ende der Innenelektrode35 ist von der Endelektrode36 getrennt und das andere Ende der Innenelektrode35 ist mit einer Endelektrode37 verbunden, die an einer anderen Endoberfläche der Membran30 ausgebildet ist. Eine Hilfselektrode38 , die zu der Endelektrode37 leitend ist, ist an der Vorder- und Rückseite des anderen Endes der Membran30 ausgebildet. - An der Vorder- und Rückfläche der Membran
30 ist eine Harzschicht39 zum Beschichten der Hauptoberflächenelektroden33 und34 ausgebildet. Die Harzschicht39 ist so angeordnet, dass sie die Festigkeit bei Fallen verbessert, da die Membran30 aus Keramikmaterial gefertigt ist. Ferner umfasst die Harzschicht39 auf der Vorder- und Rückseite nahe zwei benachbarten Ecken der Membran30 eine Kerbe39a , in der die Hauptoberflächenelektroden33 und34 frei liegen, sowie eine Kerbe39b , in der die Hilfselektrode38 frei liegt. - Die Kerben
39a und39b können nur an einer von Vorder- und Rückseite angeordnet werden. In der Ausführung sind die Kerben39a und39b sowohl an der Vorder- als auch an der Rückseite angeordnet, um die fehlende Richtcharakteristik der Vorder- und Rückseiten zu erhalten. - Ferner muss die Hilfselektrode
38 keine Bandelektrode mit konstanter Breite aufweisen. Die Hilfselektrode kann nur an der der Kerbe39b entsprechenden Position angeordnet werden. - Die Membran
30 ist ähnlich wie in5 bis8 gezeigt in dem Gehäuse10 aufgenommen, der elastische Kleber13 wird zwischen der in Kerbe39a frei liegenden Hauptoberflächenelektrode33 an der zugewandten Position und dem inneren Verbindungsteil11a der Anschlussklemme11 sowie zwischen der in der Kerbe39b frei liegenden Hilfselektrode38 und dem inneren Verbindungsteil12a der Anschlussklemme12 aufgetragen und die Membran30 wird vorübergehend an dem Gehäuse10 befestigt. - Danach wird ähnlich wie bei der ersten Ausführung der leitende Kleber
14 auf dem elastischen Kleber13 aufgetragen und gehärtet. Weiterhin wird die elastische Dichtungsmasse15 aufgebracht, um den Raum zwischen dem Außenumfang der Membran30 und dem Innenumfang des Gehäuses10 abzudichten. - Nach der vierten Ausführung wird der leitende Kleber
14 an den Positionen nahe den benachbarten Ecken der Membran30 aufgetragen. Daher ist die Hemmkraft der Membran30 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. - Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben erwähnten Ausführungen beschränkt und kann ohne Abweichen von den Grundlagen der vorliegenden Erfindung abgewandelt werden.
- Gemäß den Ausführungen ist das piezoelektrische Element
3 eine einzelne Platte. An Stelle der einzelnen piezoelektrischen Platte3 kann die vorliegende Erfindung eine Membran verwenden, die durch Anbringen eines die Harzschicht39 der piezoelektrischen Membran30 gemäß der dritten Ausführung ausschließenden Elements an einer Metallplatte gebildet wird. - 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.
- 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. - Wie vorstehend erwähnt kann die erfindungsgemäße piezoelektrische Membran eine beliebige Form und einen beliebigen Aufbau aufweisen, solange die piezoelektrische Membran vierseitig ist.
- Zusammenfassung
- [Problem] Um einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler an die Hand zu geben, bei dem sich der Knoten der Schwingungen nach außen verschiebt, wird die Resonanzfrequenz einer Membran gesenkt und die Änderung der Resonanzfrequenz der Membran durch Festlegen der Beschichtungsposition eines leitenden Klebers unterdrückt.
- [Mittel zur Lösung] Ein piezoelektrischer elektroakustischer Wandler umfasst eine vierseitige piezoelektrische Membran
1 , ein Gehäuse10 zum Aufnehmen der piezoelektrischen Membran1 und Anschlussklemmen11 und12 , die so an dem Gehäuse befestigt sind, dass deren innere Verbindungsteile an der Innenseite des Gehäuses10 frei liegen. Leitende Kleber14 werden zwischen Leiterelektroden3a und3b der piezoelektrischen Membran1 und inneren Verbindungsteilen11a und12a der Anschlussklemme11 und12 aufgetragen. Die leitenden Kleber14 werden an den zugewandten Positionen nahe den beiden benachbarten Ecken der piezoelektrischen Membran aufgetragen. Daher wird die Hemmkraft der Membran1 aufgrund des leitenden Klebers14 unterdrückt und die Membran1 wird leicht ausgelenkt.
Claims (6)
- Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler mit: – einer vierseitigen piezoelektrischen Membran, die durch Anlegen eines alternierenden Signals an deren Leiterelektroden zur Schwingung in die Dickenrichtung gebogen wird; – einem Gehäuse, das einen an einem Innenumfang des Gehäuses angeordneten Stützteil umfasst, wobei der Stützteil den Außenumfang der piezoelektrischen Membran stützt; – ersten und zweiten Anschlussklemmen, die so an dem Gehäuse befestigt sind, dass die inneren Verbindungsteile an dem Innenumfang des Gehäuses frei liegen; und – leitenden Klebern, die zwischen den Leiterelektroden der piezoelektrischen Membran und den inneren Verbindungsteilen der ersten und zweiten Anschlussklemmen aufgetragen und gehärtet werden, wodurch die leitenden Kleber die Leiterelektroden mit den inneren Verbindungsteilen der ersten und zweiten Anschlussklemmen elektrisch verbinden, wobei einer der leitenden Kleber zwischen dem inneren Verbindungsteil der ersten Anschlussklemme und einer der Leiterelektroden nahe einer Ecke der piezoelektrischen Membran aufgetragen und gehärtet wird und der andere leitende Kleber zwischen dem inneren Verbindungsteil der zweiten Anschlussklemme und der anderen Leiterelektrode nahe einer anderen Ecke der piezoelektrischen Membran neben der einen Ecke der piezoelektrischen Membran aufgetragen und gehärtet wird.
- Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsposition eines der leitenden Kleber quer über die piezoelektrische Membran der Beschichtungsposition des anderen leitenden Klebers zugewandt ist.
- Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Beschichtungsposition eines der leitenden Kleber und die Beschichtungsposition des anderen leitenden Klebers auf einer Seite der piezoelektrischen Membran und nahe den Ecken an beiden Enden der einen Seite befinden.
- Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Membran durch Anbringen eines vierseitigen piezoelektrischen Elements an einer vierseitigen Metallplatte gebildet wird, eine Leiterelektrode eine auf der Oberfläche des piezoelektrischen Elements angeordnete Elektrode ist und die andere Leiterelektrode die Metallplatte ist.
- Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Membran durch Laminieren mehrerer piezoelektrischer Keramikschichten gebildet wird, wobei eine Innenelektrode dazwischen eingeschlossen wird, wodurch die piezoelektrische Membran eine Laminierschicht mit den Hauptoberflächenelektroden auf den Hauptoberflächen der Vorder- und Rückseiten umfasst, und dass eine der Leiterelektroden mit der Innenelektrode verbunden ist und die andere Leiterelektrode mit den Hauptoberflächenelektroden verbunden ist.
- Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein elastischer Kleber zwischen der piezoelektrischen Membran und der Anschlussklemme aufgetragen ist und der leitende Kleber auf dem elastischen Kleber aufgetragen ist.
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