專利名稱：壓電聲學部件及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種壓電聲學部件，本發明尤其涉及一種壓電蜂鳴器或壓電接收機，以及它們的制造方法。
傳統地，壓電聲學部件廣泛地在電子設備中產生報警聲音或工作聲音用于壓電蜂鳴器和壓電接收機，家用電氣或移動電話中。這種類型的壓電聲學部件一般通過以下步驟制造將圓形壓電元件粘附到圓形金屬板的一個表面上，以提供單一形態型振動膜，通過硅樹脂橡膠將圓形罩子中的金屬板的周邊固定，并通過蓋子將罩子開口封閉。
但是，圓形振動膜減小了產生率，由此聲音轉換效率低，并且難以最小化。
相應地，在第11293204號日本未審查專利公告中揭示了一種壓電聲學部件，其中將正方形振動膜用于改善產生率和聲音轉換效率，并能夠最小化。這種壓電聲學部件包含，具有安裝到正方形金屬板的一個表面上的正方形壓電元件的振動膜，具有一個頂壁部分、四個側壁部分以及在兩個相對的側壁內的支持部分的絕緣罩，以及設置有第一和第二外部電極的平板基片，其中將振動膜安裝在罩子中，通過支持材料固定振動膜的相對兩側以及支持部分，并通過有彈性的密封材料密封振動膜的剩余兩側和罩子之間的間隙以使聲學空間限定面膜和罩子頂部之間。然后，將罩子的側壁上設置的開口的端部粘附到基片上，并將金屬板電氣連接到第一外部電極，并將壓電元件的電極電氣連接到第二外部電極。
在目前制造的電子部件中，一般使用回流焊接方法的表面安裝，并且通過機械裝配部件。由此，壓電聲學部件必須具有表面安裝結構。為此，最好使用導電粘結劑將振動膜電氣連接到基片的外部電極。但是，當使用傳統的環氧導電粘結劑時，在聲壓特性和耐沖擊特性問題上無法得到足夠的性能。換句話說，在諸如移動電話之類的移動設備中(它容易受通過例如跌落到地上等引起的碰撞負載的影響)，環氧導電粘結劑可能由于碰撞負載而破裂，由此使振動膜和基片外部電極斷開。
為了解決上述問題，本發明的較佳實施例提供了一種壓電聲學部件，它具有極好的產生率以及聲學轉換效率，大大小型化的尺寸，并具有極好的耐沖擊特性。
根據本發明的第一較佳實施例，壓電聲學部件包含正方形的壓電振動膜，具有在其一端暴露的第一和第二振動膜電極，并以長度彎曲模式振動；絕緣罩，具有頂壁部分、四個側壁部分，以及在兩個相對的側壁內的支持部分；及平板形基片，其上具有第一和第二外部電極；其中所述振動膜存儲在所述罩子中，其中，使第一和第二振動膜電極暴露的表面面對著罩子與頂壁部分相對的側面，振動膜的兩個相對側由支持材料支持在所述支持部分上，并且由有彈性的密封材料密封振動膜和剩余兩個側壁之間的間隙，從而確定振動膜和罩子頂壁部分之間的聲學空間，將設置在罩子側壁部分中的開口的端部粘附到基片上，通過有彈性的導電粘結劑將所述振動膜上的第一振動膜電極電氣連接到第一外部電極，并通過有彈性的導電粘結劑將所述第二振動膜電極電氣連接到第二外部電極。
根據本發明的第二較佳實施例，壓電聲學部件包含正方形的壓電振動膜，它具有暴露于其一端上，并以區域彎曲模式振動的第一和第二振動膜電極；絕緣罩，具有一個頂壁部分，四個側壁部分，和在所述四個側壁部分內的支持部分；和平板形基片，其上具有第一和第二外部電極；其中，所述振動膜設置在罩子中，其中使第一和第二振動膜暴露的表面面對與頂壁部分相對的罩子側，通過支持材料將振動膜的四個側面支持在所述支持部分上，從而在振動膜和罩子之間確定聲學空間，將設置在罩子的側壁部分上的開口的一端粘附到所述基片上，通過有彈性的導電粘結劑將所述振動膜的第一振動膜電極電氣連接到第一外部電極，并通過有彈性的導電粘結劑將所述第二振動膜電極電氣連接到第二外部電極。
本發明的另一個較佳實施例提供了一種制造壓電聲學部件的方法，包含步驟提供正方形的壓電振動膜，具有在其一個端部部分上暴露的第一和第二振動膜電極，并以長度彎曲模式振動；提供絕緣罩，具有一個頂壁部分，四個側壁部分，和兩個相對側壁部分內的支持部分；提供平板形基片，其上具有第一和第二外部電極；將所述振動膜存儲在罩子中，使第一和第二振動膜電極暴露的表面面對著與罩子的頂壁部分相對的側面，并且通過支持材料將兩個相對側的振動膜支持在所述支持部分上；和通過有彈性的密封材料密封振動膜和剩余兩側之間確定的間隙，從而在振動膜和罩子的頂壁部分之間確定聲學空間；從所述振動膜的第一振動膜電極到罩子的側壁部分上形成的開口的端部連續施加有彈性的導電粘結劑；從所述振動膜的第二振動膜電極到罩子的側壁部分上形成的開口的端部連續施加絕緣粘結劑；將絕緣粘結劑施加到所述基片的上表面上或形成在所述罩子的側壁部分上的開口的端部上；通過絕緣粘結劑將形成在罩子的側壁部分上的開口的端部粘附到所述基片上，并通過導電粘結劑連接第一振動膜電極和第一外部電極，以及第二振動膜電極和第二外部電極；并同時使所述絕緣粘結劑和導電粘結劑固化。
本發明的另一個較佳實施例提供了一種壓電聲學部件的制造方法，包含提供正方形壓電振動膜，它具有在其一個端部上暴露的第一和第二振動膜電極，并以區域彎曲模式振動；提供絕緣罩，具有一個頂壁部分、四個側壁部分和一個在所述四個側壁部分內的支持部分；提供平板形基片，其上具有第一和第二外部電極；將所述振動膜存儲在罩子中，使第一和第二振動膜電極暴露的表面面對著與罩子的頂壁部分相對側，并通過支持材料將振動膜的四側制成在所述支持部分上，從而在振動膜和罩子之間確定聲學空間；從所述振動膜的第一振動膜電極到形成在所述罩子的側壁上的開口的端部連續施加有彈性的導電粘結劑；將絕緣粘結劑施加到基片的上表面上，或者形成在所述罩子的側壁部分上的開口的端部上；通過絕緣粘結劑將形成在所述罩子的側壁部分上的開口的端部粘附到基片上，并通過導電粘結劑交替在連接第一振動膜電極和第一外部電極，以及第二振動膜電極和第二外部電極；并同時使所述絕緣粘結劑和導電粘結劑固化。
由于構成振動膜的壓電元件基本上是正方形的，故大大減小了從生產沖壓壓電元件時發生的材料浪費從而大大地改善了材料利用率。由于電極和極經的形成是在母片上進行的，生產效率和大大改善了。由于設計需要的尺寸是由母片的切割尺寸確定的，故不必如盤狀壓電元件那樣每次生產沖模用來沖切生片。換句話說，由于用于切割母片的生片沖切步驟中使用的沖模、夾具或壓電體的類型和現有技術相比大大降低，使壓電元件的制造便宜許多，并具有更高效率。
本發明的第一較佳實施例適用于接收機。由于這個較佳實施例適合于寬的頻率范圍，故除了諧振范圍以外，還可以在諧振范圍以外的范圍中使用。通過支持材料將基本上正方形的振動膜的相對的兩側支持在罩子的支持部分上，并通過有彈性的密封劑密封剩余的兩個側面和罩子之間的間隙，從而即使振動膜的振動能量相對較小，壓電元件仍然被位移。當將上述頻率信號施加在振動膜的兩個振動膜電極之間時，壓電元件沿預定方向擴大和收縮，并且相應地，振動膜以彎曲模式彎曲和變形。此時，當振動膜沿垂直方向振動，并且其兩端都固定到罩子，作為節點，如
圖1B所示沿著振動膜的縱向中心線上有著最大位移P的點。在圖1中，示出單一形態型振動膜作為例子以使該問題清晰。相反，在盤狀振動膜的情形，如圖1A所示，只在其中心部分產生最大位移P的點。換句話說，正方形振動膜的位移量大大地大于盤狀振動膜的位移量。由于位移量對應于運動空氣的能量，大大增強了聲音轉換效率。還有，由于通過有彈性的密封劑密封振動膜寬度上兩端之間的間隙，振動膜的位移不收到阻尼，由此聲壓不會減小。另外，雖然振動膜的兩個短端部是固定的，兩個端部之間的部分自由位移，由此，和盤狀振動膜相比產生更低頻率的聲音。換句話說，為了得到具有和盤狀振動膜相同的頻率的聲音，大大減小尺寸。
另一方面，本發明的第二較佳實施例適合于音響器或振鈴器，并用于諧振區域中，以在單個頻率上支持大的聲量。通過支持材料將基本上正方形的振動膜的四側支持在罩子的支持部分上，提供區域彎曲模式激勵，以增加振動膜的振動能量。區域彎曲模式的振動膜基本上是矩形的，并且振動膜的整個區域沿厚度方向彎曲，并且振動，從而構成振動膜的主表面的兩個對角線的區域提供了最大位移。換句話說，由此對角線交叉點提供了最大的位移。
在本發明的各種較佳實施例中，支持材料最好是那種在固化狀態下具有高的楊氏模量，并強力抑制振動膜端部的材料，諸如環氧粘結劑，或者在固化狀態下具有低的楊氏模量，并且固定振動膜的力度弱小，并接受振動膜的位移的材料，諸如有彈性的密封劑(例如硅樹脂橡膠)。
圖2是比較圖，示出圓形振動膜和基本上正方形振動膜的尺寸之間的關系及其諧振頻率。在這種情況下，使用單一形態型振動膜。
為了比較，將厚度大約50um的PZT用作壓電元件，將厚度為大約50um的42Ni用作金屬板。基本上矩形的振動膜的長度L與寬度W之間的比例為1.67。
如從附圖中可以看到的，當頻率相同時，和圓形振動膜相比，能夠減小正方形振動膜的尺寸(長度、直徑)。換句話說，當尺寸相同時，可以得到更低的頻率。
在本發明的各種較佳實施例中，其上固定有振動膜的罩子粘附并固定到基片上，以便具有平板形狀的配置。然后，通過有彈性的導電粘結劑將第一振動膜電極電氣連接到第一外部電極，通過有彈性的導電粘結劑將第二振動膜電極電氣連接到第二外部電極，以產生完成的聲學部件。通過將設置在基片上的第一和第二外部電極拉出到基片的后表面，得到表面安裝結構。
由于導電粘結劑具有彈性，即使當通過將其上安裝有壓電聲學部件的設備跌落到地上而受到大的碰撞負載時，它仍然能防止破裂，由此防止了振動膜電極和外部電極之間的斷開。另外，由于固化狀態中導電粘結劑的楊氏模量低，不會限制振動膜的振動，由此不會降低聲壓。
較好地，如在本發明的第三較佳實施例中，將單一形態型壓電振動膜用作振動膜，其中，該單一形態型壓電振動膜具有粘附在金屬板的一個表面上朝由罩子的支持部分支持的一側移動的位置上的壓電元件，在壓電元件的暴露在外面的一個表面上的電極構成第一振動膜電極，將金屬板暴露部分設置在具有振動膜的壓電元件的表面的另外一側上，暴露部分構成第二振動膜電極，并且將振動膜安裝到罩子，其中金屬板面對罩子的頂壁。雖然還可以將振動膜安裝到罩子，其中，壓電元件面對著頂壁部分，可能難以將壓電元件的表面電極連接到基片的第二外部電極，因為在這種情況下，壓電元件的表面電極和基片不是相對的。相反，當將振動膜固定到罩子，其中金屬板面對著罩子的頂壁部分時，容易通過導電粘結劑在表面電極和第二外部電極之間實現連接，這是因為壓電元件電極和基片是相對的。由于金屬板的暴露部分暴露在振動膜的一側上，還容易實現金屬板和第一外部電極之間的連接。
在本發明的第四較佳實施例中，通過使用在固化狀態下的楊氏模量大約為1×105-2×109N/m2的導電粘結劑作為有彈性的導電粘結劑，在耐沖擊和聲壓特性問題上得到極好的效果。在這種情況下，固化狀態下的維氏硬度是大約30-100。
較好地，如在第五較佳實施例中，由相同的材料形成用于將振動膜的兩個相對側支持在支持部分上的支持材料，作為有彈性的密封劑，換句話說，將有彈性的密封材料設置在振動膜的所有四側上。通過有彈性的密封材料密封振動膜的周邊防止了空氣泄漏，并且大大改善了聲壓特性。
通過根據如本發明的第六較佳實施例中所述的步驟制造壓電聲學部件，以相同類型的較少步驟完成固定振動膜和罩子、固定罩子和基片，以及在基片上的壓電板和外部電極之間的電氣連接，由此以大大減小的成本制造根據本發明的第一較佳實施例的壓電聲學部件。
同樣地，通過根據如本發明的第七較佳實施例中所述的步驟制造壓電聲學部件，以大大降低的成本制造根據本發明的第二較佳實施例的壓電聲學部件。
從下面參照附圖的較佳實施例的詳細的描述，本發明的其它特點、要點、特征和優點將是顯然的。
圖1是比較示圖，示出圓形振動膜與基本上正方形的振動膜位移分布；圖2是示出圓形振動膜和基本上正方形振動膜的尺寸之間的關系及其諧振頻率的示圖；圖3是根據本發明的第一較佳實施例的壓電聲學部件的透視圖；圖4是沿圖3中的線X-X得到的截面圖；圖5是沿圖3中的線Y-Y得到的截面圖；圖6是振動膜的透視圖；圖7是從后側看的罩子和振動膜的分解透視圖；圖8是示出給罩子裝配在其中與其成為整體的振動膜與基片的方法的流程圖；圖9是根據本發明的第二較佳實施例的壓電聲學部件的透視圖；圖10是根據本發明的第二較佳實施例的振動膜的截面圖；圖11是根據本發明的第三較佳實施例的振動膜的透視圖；圖12是圖11所示的振動膜的截面圖；和圖13是根據本發明的第四較佳實施例的振動膜的截面圖。
圖3到圖6是示出根據本發明的第一較佳實施例的表面安裝的壓電聲學部件的示圖。該壓電聲學部件適用作接收機，通常包含單一形態型振動膜1、罩子4和基片10。
如圖6所示，振動膜1的表面上包含有由薄膜或厚膜制成的電極2a和2b，沿厚度方向極化的基本上矩形的壓電元件2，以及具有與壓電元件2相同寬度，并且更長的長度，并通過導電粘結劑以面對面的方式粘附到后表面電極2b上的金屬板3。后表面電極2b可以通過以導電粘結劑將金屬板3直接粘附到壓電元件2的后表面而省略。在該較佳實施例中，將壓電元件2粘附到金屬板3的位于沿其長度的一側的位置，由此，使金屬板3的另外一側暴露，作為暴露部分3a。
作為壓電元件，最好使用諸如PZT之類的壓電陶瓷。金屬板3最好由具有極好的導電性和回彈性的材料制成，更好地，由楊氏模量接近于壓電元件2的材料制成。為此，最好使用例如磷青銅或42Ni。當金屬板3由42Ni制成時，進一步改善了可靠性，因為其熱膨脹系數接近于陶瓷(PZT等)的熱膨脹系數。
最好根據以下步驟制造振動膜1。作為第一步驟，由沖模將基本上正方形的母片從陶瓷生片打孔，并為母片設置電極，并極化，然后通過導電粘結劑粘附到諸如金屬板之類的母板上。然后，使用切塊機或其它適當裝置，沿著縱長和橫向切割線，將粘附到一起的母片和金屬母板切割成基本上正方形的形狀，以得到振動膜。通過使用上述基本上正方形金屬板3和基本上正方形壓電元件2，大大改善材料利用率以及生產效率，并大大減小設備成本。
上述振動膜1存儲在罩子4中。換句話說，罩子由諸如陶瓷或樹脂之類的絕緣材料制成為盒子形狀，它具有頂壁部分4a和四個側壁部分4b，并整體地形成支持部分4c，用于將振動膜1的兩端支持在相對的兩個側壁部分4b內。較好地，支持部分4c盡量小，以能夠改善聲壓，以及使諧振頻率降低。其中，罩子4由樹脂制成，最好使用耐熱的樹脂，諸如LCP(液晶聚合物)、SPS(間同立構聚苯乙烯)、PPS(聚苯硫醚)、或環氧。在頂壁部分4a的大致中心處設置聲音釋放孔4d，并在兩個相對的側壁部分4b的開口邊緣上設置凹槽46，并為剩余的兩個側壁4b的開口邊緣設置制動槽口4f。將凹槽4e設置在對應于基片10的外部電極13和14的位置(下面將描述)。
將振動膜1存儲中罩子4中，從而金屬板3面對著頂壁部分4a，并且將振動膜的較短的側放置在支持部分4c上，并由有彈性的密封劑6密封(參見圖4)。密封粘劑6最好是尿素族或硅樹脂族的一種已知的材料。在振動膜的較長側與罩子4的內表面之間設置小的空間，并由密封粘劑6密封。換句話說，將振動膜1的周圍固定到罩子4，并由有彈性的密封劑6密封，由此在振動膜1和罩子4的頂壁部分4a之間確定聲學空間7。
其上安裝有振動膜1的罩子4由絕緣粘結劑19粘附到基片10上。該基片由諸如陶瓷或樹脂之類的絕緣材料形成為基本上矩形的板。當它由樹脂制成時，使用諸如LCP、SPS、PPS或環氧(包括玻璃鋼板)等耐熱樹脂。為基片10的較短的兩端設置外部電極13、14，它們通過通孔凹槽11、12從前表面延伸到后表面。位于振動膜1的兩端上的振動膜電極，即金屬板3的暴露部分3a和壓電元件2的前表面電極2a分別通過導電膏15、16電氣連接到外部電極13、14。通過結合在設置在罩子4的開口邊緣上的凹槽4e內，將導電膏15、16設置得具有某一個厚度，以防止由于罩子4的沖擊而斷開。導電膏15、16最好由處于固化狀態的有韌性的導電粘結劑(楊氏模量為1×105-2×109N/m2的尿烷族或硅樹脂族，維氏硬度為30-100)。導電粘結劑15和16使用的量最好是小的量，諸如接近于2.5mg±0.5mg，以防止由于過量應用使聲壓降低。
由于振動膜1的短端部由罩子4的支持部分4c支持，而振動膜1的長端部由有彈性的密封劑6保持，以便可彈性位移，當在基片上的外部電極13、14之間提供規定頻率的信號(交流信號或矩形波信號)時，振動膜1以長度彎曲模式振動而其支點面短端，以產生規定的聲音。聲音從罩子4的聲音釋放孔4d釋放出來。
下面，將示出具有上述結構的壓電聲學部件施行的跌落測試的結果。條件將壓電聲學部件安裝在100g重的夾具上，并從沿Z方向150cm的高度下落(其中，基片是水平的)到木制板上，并檢查到導電膏15、16的斷開狀態。當使用尿烷族的導電粘結劑時在沿Z方向跌落10次之后，不發生故障。
當使用環氧族的導電粘結劑時在沿Z方向降落4次之后，傳導性發生故障(無路)。
作為測試的結果，發現當將尿烷族的有韌性的導電粘結劑用作導電膏15、16，以連接上述振動膜1的電極和基片10的外部電極13、14時，示出極好的耐沖擊特性。用于該試驗中的尿烷族導電粘結劑和環氧族導電粘結劑的楊氏模量分別是1×109N/m2和5×10。
現在參照圖7和圖8，描述上述壓電聲學部件的裝配方法。如圖7所示，將振動膜1放在顛倒的罩子4中，其中金屬板3面朝罩子4的頂壁部分4a，并且將兩個短側放置在支持部分4c上。在這種狀態下，通過分配器或其它適當的裝置沿振動膜1的周邊施加有彈性的密封劑6，并固化。隨后，得到如圖8A所示的罩子4，其中安裝有振動膜1。
隨后，將導電膏15從位于振動膜1的一端上的金屬板的暴露部分3a連續地施加到設置在罩子4的開口邊緣上的凹槽4e，如圖8B所示。同樣地，將導電膏16從位于振動膜1的另一端的壓電元件2的表面電極2a連續地施加到設置在罩子4的開口邊緣上的凹槽4e。在這種情況下，將導電膏15以結實的鉤子形狀施加，增強了傳導性的可靠性，而不增加施加量。由于如上所述固定振動膜1，并且金屬板3面朝罩子4的頂壁部分4a，兩個振動膜電極，即金屬板3的暴露部分3a和壓電元件2的表面電極2a從罩子4的開口暴露。由此容易通過導電膏15、16抽出電極。
隨后，如圖8C所示，將絕緣粘結劑19施加到罩子4除了凹槽4e以外的開口邊緣部分上。施加粘結劑19的步驟可以在施加導電膏15、16之前進行。在這種情況下，可以通過印刷或轉移技術，以所述的方式將粘結劑19施加到除了凹槽4e以外的部分上，從而粘結劑19和導電膏15、16不相互重疊。
然后，如圖8D所示，在固化導電膏15、16以及粘結劑19之前，將基片10粘附到罩子4上。然后，粘結劑19接觸基片10的表面，導電膏15、16分別接觸外部電極13、14的表面。在這種狀態下，當通過加熱或在室溫下固化導電膏15、16和絕緣粘結劑19時，罩子4和基片10成為整體，金屬板3的暴露部分3a與基片10上的外部電極13通過導電膏15連接，并且壓電元件2的表面電極2a和基片10的外部電極14通過導電膏16連接，由此完成了壓電聲學部件。
在上述較佳實施例中，雖然通過彈性密封劑6支持/密封振動膜1的周圍，還可以通過粘結劑將振動膜1的兩個短側固定到支持部分4c。但是，根據聲壓特性，最好使用有彈性的密封劑6，因為這允許振動膜自由振動，并可靠地防止振動膜1的前側和后側之間泄漏空氣。
圖9是根據本發明的第二較佳實施例的壓電聲學部件。
這個壓電聲學部件包括單一形態型振動膜1、罩子4、基片10。振動膜1和基片10最好類似于第一較佳實施例中所使用的情況。
圖9是透視后視圖，示出階形的支持部分4c沿罩子4的內部周邊連續延伸的狀態。支持部分4c的頂部表面具有相同的高度，并且振動膜1的所有四個側面都通過諸如粘結劑之類的支持材料42固定到支持部分4c上。和圖7中示出的部分相同的部分由相同的標號表示，并且省略了對它們的描述。
以單個頻率使用本較佳實施例的壓電聲學部件(在音響器或振鈴器中)，其中通過支持材料42限制振動膜1的整個周邊，并且在諧振區域中使用振動膜1，從而它以區域彎曲模式被強激勵，由此得到非常大的聲音。
圖10是根據第二較佳實施例的振動膜。
如圖6a所示的振動膜1，振動膜20是單一形態型振動膜，它具有安裝在金屬板21的一個表面上的壓電元件22。
但是，將金屬板21和壓電元件22配置得具有基本上相同的矩形形狀。在壓電元件22的表面上，從一端到離開另一端一短的距離地設置第一電極22a，并且在另一端，設置第二電極22b，以便通過該端部表面與金屬板22連續。在這種情況下，由于兩個電極22a、22b暴露于振動膜20的表面，通過將振動膜20安裝到罩子4內，并且金屬板21面朝頂壁部分4a，通過導電膏容易地將電極抽出。在本較佳實施例中的導電膏最好是在第一較佳實施例中所包含的有彈性的導電粘劑。
圖11和圖12示出振動膜的第三較佳實施例。
振動膜30具有單片結構，它是通過兩個壓電陶瓷層31、32層疊，并在前后主表面上設置主表面電極33、34，和在陶瓷層31、32之間設置內部電極35形成的。使兩個陶瓷層31、32沿如圖12中的粗箭頭所示的跨過寬度的相同的方向極化。前表面上的主表面電極33和后表面上的主表面電極34具有基本上與振動膜30的短端部相同的寬度，長度稍稍短于縱向端，并且其一端連接到設置在振動膜30的一個短端部表面上的端部表面電極36。由此，前后主表面電極33、34相連。外部電極35設置得與主表面電極33、34基本對稱，并且外部電極35的一端與上述外部表面電極36分離，其另一端連接到設置在振動膜30的另一個短端部表面上的外部表面電極37。振動膜30包含狹窄的輔助電極38，它沿另一個短端部設置在上下表面上，并與外部表面電極37電氣延續。
如圖4中的情況所示，上述振動膜30固定在罩子中，并且將罩子粘附到基片。此時，通過有彈性的導電膏將一個主表面電極33、34連接到基片上的一個外部電極，并且通過有彈性的導電膏將輔助電極38連接到基片上的另一個外部電極。然后在外部電極之間施加預定的交變電壓，以導致以長度彎曲模式在振動膜30上引起彎曲振動。換句話說，振動膜30以彎曲模式振動，振動膜的短端部用作支點，而其縱向的中心確定了最大振幅點。
由于本發明的振動膜是單片結構，它沒有金屬板，并且兩個振動區域沿厚度方向連續設置，和單一形態型振動膜相比，得到大量的位移，即高聲壓。
圖13是本發明的第四較佳實施例的振動膜。振動膜50是單片結構，它具有三個壓電陶瓷層51-53，并包括在振動膜50的前后表面上的主表面電極54、55，以及插入在每一個相鄰陶瓷層51-53之間的外部電極56、57。沿粗箭頭示出的跨過厚度的相同方向極化陶瓷層51-53。
主表面電極54、55具有與振動膜的短端部基本相同的寬度，以及并縱向端部稍稍短些的長度，并且其一端連接到設置在振動膜50的一個短端部表面上的外部表面電極8。由此，前后主表面電極54、55相連。外部電極56、57的一端與外部表面電極58分離，其另一端連接到設置在振動膜50的另一個短端部表面上的外部表面電極59。由此，內部電極56、57也相連。振動膜50包括狹窄的輔助電極59a，它沿另一個短端部設置在上下表面上，與外部表面電極59電氣延續。在圖4的情況下，振動膜50固定在罩子中，并且罩子粘附到基片上。此時，通過有彈性的導電膏將主表面電極54、55中的一個連接到外部電極，并通過有彈性的導電膏將輔助電極59a連接到基片的另一個外部電極。
例如，當將負電壓施加到主表面電極54，并將正電壓施加到輔助電極59a上時，產生沿由圖13中的細箭頭示出方向的電場。此時，在中間的陶瓷層52中不產生電場，因為位于它的兩側上的外部電極56、57處于相同的電位。由于極化方向和電場方向相同，所以前表面上的陶瓷層51沿平面方向收縮，并且因為極化方向與電場方向相反，所以后側上的陶瓷層52在方向上膨脹。由此，振動膜50朝下彎曲。通過將交變電壓施加到外部表面電極58、59之間，振動膜50循環地產生彎曲振動，由此產生高聲壓。
金屬板和壓電元件不必具有基本上矩形形狀，但是它可以是基本上是正方形的。雖然在上述較佳實施例中描述了在金屬板的一個表面上具有壓電元件的單一形態型振動膜，以及具有層疊的壓電元件的單片振動膜，但是可以使用任何壓電振動膜，只要它基本上是正方形的，并且第一和第二振動膜電極暴露于一個端部表面上，并以長度彎曲模式或區域彎曲模式振動。
本發明的各種較佳實施例的壓電聲學部件包括壓電蜂鳴器、壓電接收機、壓電擴音器、壓電音響器和振鈴器。
如上述可見，根據本發明的第一較佳實施例，由于使用基本上正方形的振動膜，可以減少在切割母片的沖切生片步驟中使用的沖模、夾具或壓電體的類型，大大改善材料效率，由此大大改善生產效率，并大大降低制造成本。
由于基本上正方形的振動膜的兩個相對側由罩子的支持部分支持，振動膜的另外兩側與罩子之間的間隙密封，從而它以長度彎曲模式振動，在沿振動膜的縱向中心線上有最大位移點，由此大大增加了位移量。由此，與盤形振動膜相比，聲轉換效率大大增加。雖然沿基本上正方形的振動膜兩側支持它，但是支持部分的中間部分自由位移，比得到大大低于盤形振動膜的頻率。換句話說，為了得到相同頻率的聲音，尺寸大大減小。
由于用于連接振動膜電極和基片上的外部電極的振動膜電極的導電粘結劑具有彈性，即使當通過使設備下落施加大的碰撞負載(其中安裝有本發明的較佳實施例壓電聲學元件)時，導電粘結劑吸收碰撞，以便防止振動膜電極與外部電極之間斷開。由于處于固化狀態的導電粘結劑的楊氏模量低，故振動膜的振動不受到阻尼，由此改善了聲壓特性。
在本發明的第二較佳實施例中，由于通過支持材料，將基本上正方形的振動膜的四側支持在罩子的支持部分上，以提供區域彎曲模式的激勵，提供了適合于諧振區域中使用的音響器或振鈴器的壓電聲學部件。在這種情況下，由于在第一較佳實施例的情況下，通過有彈性的導電粘結劑連接振動膜電極與基片上的外部電極，得到一種壓電聲學部件，它具有小型尺寸的大大改善的耐沖擊特性和聲壓特性。
在本發明的第六和第七較佳實施例中，由于將振動膜安裝到罩子，從而兩個振動膜電極通過開口暴露，故容易施加用于連接振動膜電極和基片上的外部電極的導電粘結劑，并且同時實現了罩子和基片之間的粘附，以及振動膜電極與外部電極之間的電氣連接。由此，使制造過程簡單，并大大減小了施行該過程所需的時間。
雖然已經參照較佳實施例具體示出并描述了本發明，但是熟悉本領域的技術人員將知道在不背離本發明的主旨和范圍的條件下，可以有上述和其它形式和細節上的改變。
權利要求
1．一種壓電聲學部件，其特征在于包含基本上為正方形的壓電振動膜，具有在其一端暴露的第一和第二振動膜電極，并以長度彎曲模式振動；絕緣罩，具有頂壁部分、四個側壁部分，以及在兩個相對的側壁內的支持部分；及平板形基片，其上具有第一和第二外部電極；其中所述振動膜存儲在所述罩子中，其中，使第一和第二振動膜電極暴露的表面面對著罩子與頂壁部分相對的側面，振動膜的兩個相對側由支持材料支持在所述支持部分上，并且由有彈性的密封材料密封振動膜和剩余兩個側壁之間的間隙，從而確定振動膜和罩子頂壁部分之間的聲學空間，將設置在所述罩子的所述四個側壁部分中至少一個上的開口的端部粘附到所述基片上，通過有彈性的導電粘結劑將所述振動膜上的第一振動膜電極電氣連接到第一外部電極，并通過有彈性的導電粘結劑將所述第二振動膜電極電氣連接到第二外部電極。
2．如權利要求1所述的壓電聲學部件，其特征在于所述振動膜是單一形態型壓電振動膜，它具有粘附在金屬板的一個表面上朝由支持部分支持的一側偏移的位置上的壓電元件，在壓電元件的暴露在外面的一個表面上的電極構成第一振動膜電極，金屬板的暴露部分設置在粘附有振動膜的壓電元件的表面另外一側上，所述暴露部分構成第二振動膜電極，并且將振動膜安裝到罩子，其中金屬板面對著所述罩子的頂壁。
3．如權利要求1所述的壓電聲學部件，其特征在于所述有彈性的導電粘結劑是楊氏模量為大約1×105-2×105N/m2。
4．如權利要求1所述的壓電聲學部件，其特征在于將振動膜的相對側面支持在支持部分上的支持材料是和有彈性的密封材料相同的材料。
5．如權利要求1所述的壓電聲學部件，其特征在于壓電振動膜由PZT制成。
6．如權利要求1所述的壓電聲學部件，其特征在于罩子由樹脂制成。
7．如權利要求1所述的壓電聲學部件，其特征在于所述第一和第二外部電極通過設置在所述罩子中的通孔從前表面延伸到后表面。
8．如權利要求1所述的壓電聲學部件，其特征在于將聲音釋放孔設置在所述罩子的頂壁部分的大致中心。
9．如權利要求1所述的壓電聲學部件，其特征在于將凹槽設置在所述罩子的兩個相對側壁部分的開口邊緣上。
10．如權利要求1所述的壓電聲學部件，其特征在于為一個側壁部分的開口邊緣設置制動槽口。
11．一種壓電聲學部件，其特征在于包含基本上正方形的壓電振動膜，它具有暴露于其一端上，并以區域彎曲模式振動的第一和第二振動膜電極；絕緣罩，具有一個頂壁部分，四個側壁部分，和在所述四個側壁部分內的支持部分；和平板形基片，其上具有第一和第二外部電極；其中，所述振動膜設置在罩子中，其中使第一和第二振動膜暴露的表面面對與頂壁部分相對的罩子側，通過支持材料將振動膜的四個側面支持在所述支持部分上，從而在振動膜和罩子之間確定聲學空間，將設置在所述罩子的至少一個側壁部分上的開口的一端粘附到所述基片上，通過有彈性的導電粘結劑將所述振動膜的第一振動膜電極電氣連接到第一外部電極，并通過有彈性的導電粘結劑將所述第二振動膜電極電氣連接到第二外部電極。
12．如權利要求11所述的壓電聲學部件，其特征在于所述振動膜是單一形態型壓電振動膜，它具有粘附在金屬板的一個表面上朝由支持部分支持的一側偏移的位置上的壓電元件，在壓電元件的暴露在外面的一個表面上的電極構成第一振動膜電極，金屬板的暴露部分設置在粘附有振動膜的壓電元件的表面另外一側上，所述暴露部分構成第二振動膜電極，并且將振動膜安裝到罩子，其中金屬板面對著所述罩子的頂壁。
13．如權利要求11所述的壓電聲學部件，其特征在于所述有彈性的導電粘結劑是楊氏模量為大約1×105-2×105N/m2。
14．如權利要求11所述的壓電聲學部件，其特征在于將振動膜的相對側面支持在支持部分上的支持材料是和有彈性的密封材料相同的材料。
15．如權利要求11所述的壓電聲學部件，其特征在于壓電振動膜由PZT制成。
16．如權利要求11所述的壓電聲學部件，其特征在于罩子由樹脂制成。
17．如權利要求11所述的壓電聲學部件，其特征在于所述第一和第二外部電極通過設置在所述罩子中的通孔從前表面延伸到后表面。
18．如權利要求11所述的壓電聲學部件，其特征在于將聲音釋放孔設置在所述罩子的頂壁部分的大致中心。
19．一種制造壓電聲學部件的方法，其特征在于包含步驟提供基本上正方形的壓電振動膜，具有在其端部部分上暴露的第一和第二振動膜電極，并以長度彎曲模式振動；提供絕緣罩，具有一個頂壁部分，四個側壁部分，和兩個相對側壁部分內的支持部分；提供平板形基片，其上具有第一和第二外部電極；將所述振動膜存儲在罩子中，使第一和第二振動膜電極暴露的表面面對著與罩子的頂壁部分相對的側面，并且通過支持材料將兩個相對側的振動膜支持在所述支持部分上；和通過有彈性的密封材料密封振動膜和剩余兩側之間確定的間隙，從而在振動膜和罩子的頂壁部分之間確定一個聲學空間；從所述振動膜的第一振動膜電極到罩子的側壁部分上形成的開口的端部連續施加有彈性的導電粘結劑；從所述振動膜的第二振動膜電極到罩子的側壁部分上形成的開口的端部連續施加絕緣粘結劑；將絕緣粘結劑施加到所述基片的上表面上或形成在所述罩子的側壁部分上的開口的端部上；通過絕緣粘結劑將形成在罩子的側壁部分上的開口的端部粘附到所述基片上，并通過導電粘結劑連接第一振動膜電極和第一外部電極，或第二振動膜電極和第二外部電極；和同時使所述絕緣粘結劑和導電粘結劑固化。
20．一種壓電聲學部件的制造方法，其特征在于包含提供基本上正方形壓電振動膜，它具有在其一個頂壁部分上暴露的第一和第二振動膜電極，并以區域彎曲模式振動；提供絕緣罩，具有一個頂壁部分、四個側壁部分和一個在所述四個側壁部分內的支持部分；提供平板形基片，其上具有第一和第二外部電極；將所述振動膜存儲在罩子中，使第一和第二振動膜電極暴露的表面面對著與罩子的頂壁部分相對側，并通過支持材料將振動膜的四側制成在所述支持部分上，從而在振動膜和罩子之間確定聲學空間；從所述振動膜的第一振動膜電極到形成在所述罩子的側壁上的開口的端部連續施加有彈性的導電粘結劑；從所述振動膜的第一振動膜電極到形成在所述罩子的開口的端部連續施加有彈性的導電粘結劑；將絕緣粘結劑施加到所述基片的上表面上，或者形成在所述罩子的側壁部分上的開口的端部上；通過絕緣粘結劑將形成在所述罩子的側壁部分上的開口的端部粘附到所述基片上，并通過導電粘結劑連接第一振動膜電極和第一外部電極，以及第二振動膜電極和第二外部電極；和同時使所述絕緣粘結劑和導電粘結劑固化。
全文摘要
本發明提供了一種壓電聲學部件,它具有極好的生產率,以及聲學轉換效率,大大地最小化的尺寸,以及極好的耐沖擊特性,它包含一單一形態型振動膜。該振動膜是通過將基本上正方形的壓電元件粘附到正方形金屬板上而確定的將振動膜的較短側支持在設置于罩子的兩個相對側壁部分內的支持部分上,通過有彈性的密封劑密封振動膜剩余的兩側與罩子之間的間隙。將罩子粘附在具有外部電極的基片上,通過有彈性的導電膏將金屬板連接到外部電極,并通過有彈性的導電膏將壓電元件的表面電極連接到外部電極。在這種安排下,大大改善了振動膜和基片上的外部端子之間連接對付沖擊的可靠性。
文檔編號H04R17/00GK1304275SQ0013078
公開日2001年7月18日 申請日期2000年12月18日 優先權日1999年12月16日
發明者岸本健嗣 申請人:株式會社村田制作所