DE10119217A1

DE10119217A1 - Piezoelektroakustischer Wandler

Info

Publication number: DE10119217A1
Application number: DE10119217A
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Takeshima
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2000-04-19
Filing date: 2001-04-19
Publication date: 2001-10-31
Also published as: US6825593B2; KR100408609B1; US20040085001A1; CN1318965A; KR20010098701A; US20010045792A1; US6653762B2

Abstract

Ein piezoelektrischer akustischer Wandler bewirkt eine erhebliche Verbesserung der Zertrümmerungsfestigkeit, erhöhte betriebliche Leistungsfähigkeit und reduzierte Größe und weist piezoelektrische Keramikschichten auf, die zu einem Laminat geformt sind. Auf der vorderen und hinteren Hauptfläche des Laminats sind Hauptflächenelektroden angeordnet und zwischen den jeweiligen Keramikschichten liegt eine Innenelektrode. Eine Seitenelektrode, eine die Hauptflächenelektroden miteinander verbindende Seitenelektrode und eine zu der Innenelektrode geführte Seitenelektrode sind an der Seitenfläche des Laminats ausgebildet. Alle Keramikschichten sind in der gleichen Richtung polarisiert, und durch Anlegen eines alternierenden Signals zwischen den Hauptflächenelektroden und der Innenelektrode kommt es zu einer Biegeschwingung des Laminats. Die vordere und hintere Fläche des Laminats ist fast vollständig mit Harzschichten bedeckt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Konstruktion von piezoelektroakustischen Wandlern, zum Beispiel einer piezo elektrischen Hörkapsel, einer piezoelektrischen Lotungsvor richtung, eines piezoelektrischen Lautsprechers und eines piezoelektrischen Summers, insbesondere einer zugehörigen Membran.

Ein piezoelektroakustischer Wandler findet üblicherweise weitgehende Anwendung für eine piezoelektrische Hörkapsel, einen piezoelektrischen Summer oder eine andere geeignete piezoelektrische Vorrichtung. Ein allgemeines konstruktives Merkmal dieses piezoelektroakustischen Wandlers besteht dar in, daß eine kreisförmige Metallplatte mit einer Seite einer piezoelektrischen Keramikplatte zu einer Einelement-Membran verklebt ist und daß ein Umfang dieser Membran in einem kreisförmigen Gehäuse ruht und eine Öffnung des Gehäuses durch einen Deckel verschlossen ist. Die Einelement-Membran weist jedoch insofern einen Mangel auf, als die durch den Schalldruck bewirkte Verdrängung gering ist, weil die Biege schwingung durch Anbringung der Keramikplatte erreicht wird, deren Außendurchmesser sich als Reaktion auf das Anlegen der Spannung an die Metallplatte, deren Abmessungen sich nicht verändern, ausdehnt.

Darüber hinaus wird in der ungeprüften japanischen Patentver öffentlichung Nr. 61-205100 eine Zweielement-Membran in Lami natkonstruktion vorgeschlagen, die eine Mehrzahl von piezo elektrischen Keramikschichten aufweist. Diese Membran wird durch Laminierung einer Mehrzahl von grünen Keramikplatten und einer Mehrzahl von Elektroden sowie durch Verwendung des gesinterten Preßlings hergestellt, der durch gleichzeitiges Brennen der Platten und Elektroden entsteht. Die Elektroden sind über die Durchgangslöcher elektrisch verbunden, die in einer Lage ausgebildet sind, durch die die Vibration einer Membran nicht beeinträchtigt wird. Im Vergleich zu der Ein elementausführung kann die größere Verdrängung, d. h. der höhere Schalldruck, dadurch erreicht werden, daß eine erste und eine zweite Vibrationsregion in Dickenrichtung angeordnet werden, damit sie in entgegengesetzter Richtung vibrieren.

Im Fall des oben beschriebenen Zweielement-Membrantyps jedoch sollten die Elektrode einer Hauptfläche und eine Innenelek trode, zum Beispiel wenn die Biegeschwingung der Membran mit drei Keramikschichten erfolgt, wie in Fig. 17 der obigen Veröffentlichung dargestellt, miteinander über ein Durch gangsloch verbunden sein. Eine weitere Hauptflächenelektrode und eine weitere Innenelektrode müssen miteinander über ein Durchgangsloch verbunden sein, und zwischen diesen muß eine Wechselspannung angelegt werden. Deshalb ist die komplizierte Zusammenschaltung zwischen Hauptflächenelektrode und Innen elektrode erforderlich und die entsprechenden Kosten können hoch sein.

Infolgedessen beseitigt der Anmelder dieser Erfindung die Zusammenschaltung der Hauptflächenelektrode und der Innen elektrode und sieht einen piezoelektroakustischen Wandler vor, der eine Zweielement-Membran mit einfacher Verbindungs struktur (gemäß der japanischen Patentanmeldung Nr. 11-207198, die noch nicht veröffentlicht ist) definiert. Dieser elektroakustische Wandler ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder drei piezoelektrische Keramikschichten miteinander zu einem Laminat verbunden sind, Hauptflächenelektroden auf vorderen und hinteren Hauptflächen dieses Laminatkörpers ausgebildet sind, Innenelektroden zwischen entsprechenden Keramikschichten ausgebildet sind und alle Keramikschichten in der gleichen Richtung, die eine Dickenrichtung derselben darstellt, polarisiert sind. Die Biegeschwingung des Laminats kann durch Anlegen eines alternierenden Signals zwischen Hauptflächenelektrode und Innenelektrode erzeugt werden.

Im Fall einer solchen Zweielement-Membran besteht ein Merkmal darin, daß im Vergleich zu einer Einelement-Membran ein höhe rer Schalldruck erzielt werden kann. Andererseits ist die Stoßfestigkeit gering, weil die Verstärkung durch die Metall platte fehlte, und beim Einsatz für ein tragbares Terminal oder einen anderen, ähnlichen Zweck wurde keine ausreichende Zertrümmerungsfestigkeit erzielt.

Um die oben beschriebenen Probleme zu überwinden, sehen be vorzugte Ausführungsformen der Erfindung eine Zweielement- Membran, die einen hohen Schalldruck erreicht und gleichzei tig einen einfachen Verbindungsaufbau aufweist, und einen piezoelektroakustischen Wandler vor, der eine weit größere Verbesserung in der Zertrümmerungsfestigkeit erreicht.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist ein piezoelektrischer Schallwandler piezoelektrische Keramikschichten auf, die zu einem Laminat verbunden sind, sowie Hauptflächenelektroden, die auf der vorderen und hinte ren Hauptfläche des Laminats angeordnet sind, eine zwischen den jeweiligen Keramikschichten angeordnete Innenelektrode, wobei die Keramikschichten in gleicher Richtung polarisiert sind, und die Biegeschwingung des Laminats wird durch das Anlegen eines alternierenden Signals zwischen der Hauptflä chenelektrode und der Innenelektrode erzeugt. Die vordere und die hintere Fläche des Laminats sind im wesentlichen voll ständig von einer Harzschicht bedeckt.

Wenn zwischen der Hauptflächenelektrode und der Innenelektro de im Laminat gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Wechselspannung angelegt wird, kehrt sich die Richtung eines in der Keramikschicht der Vorderseite und der Rückseite wirksamen elektrischen Felds entgegen der Dicken richtung um. Andererseits entspricht die Polarisierungsrich tung aller Keramikschichten der Dickenrichtung. Ein für die Schichten verwendetes piezoelektrisches Keramikmaterial hat die Eigenschaft, in Richtung einer ebenen Oberfläche zu schrumpfen, wenn die Richtung einer Polarisierung und die Richtung eines elektrischen Felds übereinstimmen, und wenn die Richtung einer Polarisierung und die Richtung eines elek trischen Felds einander entgegengesetzt sind, erfolgt eine Ausdehnung in Richtung einer ebenen Oberfläche. Wenn daher, wie oben erwähnt, die Wechselspannung angelegt und die Kera mikschicht der Vorderseite ausgedehnt (geschrumpft) wird, wird die Keramikschicht der Rückseite geschrumpft (ausge dehnt), und ein Laminat erzeugt die Biegeschwingung als Gan zes. Da diese Verdrängung größer ist als bei einer Einele ment-Membran, steigt der Schalldruck stark an.

Das an sich bekannte Laminat mit Keramikmaterial ist gegen über einer darauf einwirkenden äußeren Stoßbelastung schwach, während ein entsprechender Schalldruck hoch ist. Bei bevor zugten Ausführungsformen der Erfindung wird das Laminat da durch verstärkt, daß man nahezu die gesamte Vorder- und Rück seite eines Laminats mit einer Harzschicht bedeckt und da durch die Zertrümmerungsfestigkeit stark erhöht. Da diese Harzschicht die Biegeschwingung des Laminats nicht unterbin det, wird ein Schalldruck nicht davon berührt und eine Reso nanzfrequenz wird nicht erhöht.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es sich bei der Harzschicht um eine versteifte Überzugs schicht handeln, die nach Beschichtung mit einem pastenähnli chen Harz im Filmzustand entsteht. Alternativ kann es sich bei der Harzschicht um einen Harzfilm handeln, der gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auf das Laminat aufgebracht wird.

Das Harzmaterial zur Bildung einer Harzschicht wirkt sich auf ein Laminat nicht als Verstärkung aus, wenn es sich um ein Harzmaterial mit niedrigem Elastizitätsmodul, zum Beispiel eine Silikongruppe und eine Urethangruppe, handelt. Auch kann keine ausreichende Festigkeit gegen äußere Stoßeinwirkung erwartet werden. Bei einem Harzmaterial mit hohem Elastizi tätsmodul, zum Beispiel einer Epoxygruppe und einem Acryltyp, ist die Stoßfestigkeit stark erhöht, wenn solche Materialien, zum Beispiel Polyamidharz, Polyamid-Imid-Harz usw. darin enthalten sind.

Gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es erwünscht, ein Laminat von im wesentlichen rechtecki ger Form zu erzielen. Bei einem im wesentlichen rechteckigen Laminat können solche Prozesse wie die Ausbildung einer Elek trode, die Laminierung von Keramikschichten, Pressenaufbrin gung, Brennen sowie die Bildung einer Harzschicht in einer Trägerplattenstufe ausgeführt werden, so daß Ausschußmaterial minimiert und gleichzeitig die Effizienz der Massenproduktion stark verbessert wird. Bei Verwendung einer im wesentlichen rechteckigen Membran wird die Effizienz der Schallumwandlung außerdem im Vergleich zu einer kreisförmigen Membran stark verbessert, und dies hat den Vorteil, daß ein niedrigfrequen ter Schall erzeugt werden kann.

Es reicht aus, die Hauptflächenelektroden der Vorder- und Rückseiten gegenseitig über die auf der Seite des Laminats ausgebildete erste Seitenelektrode, wie bei einer fünften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, leitend zu machen und die Innenelektrode mit der auf der Seite einer anderen Position als der ersten Seitenelektrode ausgebildeten zweiten Seitenelektrode leitend zu machen. In diesem Fall läßt sich die elektrische Verbindung nach außen leicht dadurch herstel len, daß die Hauptflächenelektrode und die Innenelektrode über die Seitenelektrode herausgeführt werden.

Es kann vorzuziehen sein, die erste und zweite Seitenelektro de so auszubilden, daß sie gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Vorder- und Rückseite einer Harzschicht zugewandt sein können. So gestaltet sich zum Beispiel die Verbindung, wenn der erfindungsgemäße elektro akustische Wandler mittels des elektrisch leitenden Klebers nach außen verbunden wird, einfach, und die Ausbildung der Elektroden wird erleichtert.

Gemäß einer siebten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die zweite Seitenelektrode der Vorder- und Rückseite des Laminats zugewandt sein. Der Kerbenteil, in dem ein Teil der Hauptflächenelektroden der Vorder- und Rückseiten freiliegt, und der Kerbenteil, in dem ein Teil der der Vorder- und Rück seite des Laminats zugewandten zweiten Seitenelektrode frei liegt, kann mit einer Harzschicht ausgebildet sein.

In diesem Fall ist es nicht erforderlich, an der Oberfläche einer Harzschicht eine Elektrode auszubilden, wie es bei der sechsten bevorzugten Ausführungsform der Fall ist, sondern es ist nur die Ausbildung einer Elektrode am Laminat erforder lich, und damit gestaltet sich nicht nur die elektrische Verbindung nach außen einfach, sondern der Vorgang einer Elektrodenausbildung wird ebenfalls vereinfacht.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Er findung gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor, in der mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele erläu tert werden. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 ein perspektivisches Außendiagramm einer ersten bevor zugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen piezoelektro akustischen Wandlers;

Fig. 2 eine Explosionszeichnung des in Fig. 1 abgebildeten piezoelektroakustischen Wandlers;

Fig. 3 eine Schnittansicht A-A von Fig. 1;

Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in Fig. 1;

Fig. 5 ein perspektivisches Diagramm der für den piezoelek troakustischen Wandler nach Fig. 1 verwendeten Membran;

Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der Linie C-C in Fig. 5;

Fig. 7 ein Schalldruckvergleichsdiagramm der mit einer Harz schicht versehenen Membran und der Membran, die keine Harz schicht aufweist;

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Membran;

Fig. 9 eine Schnittansicht der Linie D-D von Fig. 8;

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausfüh rungsform einer erfindungsgemäßen Membran.

Die Fig. 1-4 zeigen eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen piezoelektroakustischen Wandlers.

Dieser piezoelektroakustische Wandler weist vorzugsweise eine im wesentlichen rechteckige Membran 1 in Form eines Laminat körpers, ein diese Membran 1 enthaltendes Gehäuse und eine Platte 20 auf. Der piezoelektroakustische Wandler ist vor zugsweise als oberflächenmontierte Komponente aufgebaut, kann jedoch auch wie ein anderer Komponententyp, zum Beispiel eine Stiftkomponente, aufgebaut sein.

Die Membran 1 dieser bevorzugten Ausführungsform wird vor zugsweise durch Laminierung von zwei piezoelektrischen Kera mikschichten 1a und 1b, vorzugsweise bestehend aus PZT oder einem anderen geeigneten Material, wie in Fig. 5 und Fig. 6 dargestellt, ausgebildet. Die Hauptflächenelektroden 3 und 4 befinden sich auf der vorderen und hinteren Hauptfläche der Membran 1, und zwischen den Keramikschichten 1a und 1b ist eine Innenelektrode 5 angeordnet. Wie in diesen Figuren durch einen dick gezeichneten Pfeil angezeigt, sind die beiden Keramikschichten 1a und 1b in Dickenrichtung in gleicher Richtung polarisiert. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Hauptflächenelektrode 3 der Vorderseite und die Hauptflächenelektrode 4 der Rückseite von einer kur zen Seite bis unmittelbar vor eine andere kurze Seite der Membran 1. Die Innenelektrode 5 erstreckt sich, ebenso symme trisch wie die Hauptflächenelektroden 3 und 4, von einer anderen kurzen Seite bis unmittelbar vor eine kurze Seite. Die Vorder- und Rückseite der Membran 1 sind mit Harzschich ten 6 und 7 bedeckt. Nach Aufbringung eines pastenähnlichen Harzes in filmförmigem Zustand kann es sich bei den Harz schichten 6 und 7 um versteifte Überzugsschichten handeln, oder es kann sich um Schichten handeln, auf die der Harzfilm aufgebracht wird. Als Harzschichten 6, 7 wird für die Aushär tung vorzugsweise ein Material mit einem Elastizitätsmodul von etwa 1100 MPa, zum Beispiel ein Epoxidharz und ein Acryl harz, verwendet.

Die erste Seitenelektrode 8, die zu den Hauptflächenelektro den 3 und 4 führt, liegt auf einer Kurzseitenfläche der Mem bran 1, und der obere und untere Abschnitt dieser Seitenelek trode 8 sind so angeordnet, daß sie den Oberflächen der Harz schichten 6 und 7 zugewandt sein können. Außerdem liegt die zweite Seitenelektrode 9, die zur Innenelektrode 5 führt, auf einer anderen Kurzseitenfläche der Membran 1, und der obere und untere Abschnitt dieser Seitenelektrode 9 sind so ange ordnet, daß sie den Oberflächen der Harzschichten 6 und 7 zugewandt sein können.

Ein Gehäuse 10 hat vorzugsweise Kastenform mit einem oberen Wandteil und vier Seitenwandteilen und besteht vorzugsweise aus hitzebeständigem Harz. Im oberen Wandteil ist ein Schall emissionsloch 11 ausgebildet, und eine Platte 20 ist mit einer Öffnung an der Unterseite verklebt. An einer Innen- Seitenfläche von zwei Seitenwänden, der ein Gehäuse 10 gegen überliegt, sind stufenförmige Stützteile 12a und 12b vorgese hen, und zwei Kanten neben der kurzen Seite der Membran 1 sind durch Stützmittel 13a und 13b, zum Beispiel einen Kleb stoff, an diesen Stützteilen 12a und 12b befestigt. Außerdem ist ein Spalt zwischen zwei Kanten der längeren Seite der Membran 1 und des Gehäuses 10 durch elastische Dichtmittel 14a und 14b, zum Beispiel Silikonkautschuk, abgedichtet. Darüber hinaus kann das gleiche Material der elastischen Dichtmittel 14a und 14b als Stützmittel 13a und 13b verwendet werden.

Eine Platte 20 weist ein hitzebeständiges Harz, ein Glas epoxid, ein Keramikmaterial oder ein anderes geeignetes Mate rial ähnlich dem Material des Gehäuses 10 auf, und an beiden Enden der Vorder- und Rückseite sind Elektroden für den Au ßenanschluß 21a und 21b vorgesehen. Die Elektroden 21a und 21b an der Vorder- und Rückseite sind jeweils durch eine Innenfläche der Kerbrillen 22a und 22b, die an beiden Endsei tenkanten der Platte 20 liegen, geführt. Die Platte 20 ist an der Unterseitenöffnung des Gehäuses 10 mit Hilfe des isolie renden Klebstoffs 24 befestigt, der sich in einem solchen Zustand befindet, daß die elektrisch leitenden Kleber 23a und 23b in der Form einer durchgehenden Infusion an den Seiten elektroden 8 und 9 der am Gehäuse 10 befestigten Membran 1 beschichtet sind. Die Seitenelektrode 8 der Membran 1 ist für den Außenanschluß mittels des elektrisch leitenden Klebers 23a mit der Elektrode 21 verbunden, und die Seitenelektrode 9 ist für den Außenanschluß mittels des elektrisch leitenden Klebers 23b mit der Elektrode 21b verbunden. Außerdem kann der isolierende Klebstoff 24 auf der Platte 20 und auf der Öffnung des Gehäuses 10 beschichtet sein. Dann wird ein pie zoelektroakustischer Wandler durch Aushärtung der elektrisch leitenden Kleber 23a und 23b und des isolierenden Klebstoffs 24 ergänzt.

Wenn zwischen den Elektroden für den Außenanschluß 21a und 21b eine bestimmte Wechselspannung angelegt wird, erfolgt die Biegeschwingung der Membran 1 im Längsbiegemodus. Dies bedeu tet, daß beide Enden der kurzen Seiten der Membran 1 einen Drehpunkt definieren und die Biegeschwingung so erfolgt, daß der mittlere Teil einer Längsrichtung als Maximalpunkt ver wendet wird. Wird beispielsweise eine negative Spannung an die Seitenelektrode 8 angelegt, die für den Außenanschluß mit der Elektrode 21a verbunden ist, und wird eine positive Span nung an die Seitenelektrode 9 angelegt, die für den Außenan schluß mit der Elektrode 21b verbunden ist, entsteht das elektrische Feld der Richtung, die in Fig. 6 mit der dünn gezeichneten Pfeilspitze dargestellt ist. Die Keramikschich ten 1a und 1b haben die Eigenschaft, in Richtung einer ebenen Oberfläche zu schrumpfen, wenn die Richtung der Polarisierung und die Richtung des elektrischen Felds übereinstimmen, und wenn die Polarisierung und das elektrische Feld einander entgegengesetzte Richtungen haben, zeigen sie die Eigen schaft, sich in Richtung der ebenen Oberfläche auszudehnen. Deshalb schrumpft die Keramikschicht 1a der Vorderseite und die Keramikschicht 1b der Rückseite dehnt sich aus. Aus die sem Grund wird die Membran 1 so gebogen, daß der mittlere Teil zu einem unteren Teil konvex wird. Wenn die an die Elek troden für den Außenanschluß 21a und 21b angelegte Spannung eine Wechselspannung ist, kann die Membran 1 die Biegeschwin gung periodisch erzeugen und kann infolgedessen einen hohen Schalldruck bewirken.

Da es sich bei der Membran 1 gemäß dieser bevorzugten Ausfüh rungsform der Erfindung um eine Zweielement-Membran handelt, deren Keramikschichten 1a und 1b laminiert sind, erhöht sich die Verdrängung im Vergleich zu der Einelement-Membran mit Metallplatte erheblich, und somit wird ein weit höherer Schalldruck erreicht. Da außerdem die Verdrängung nicht durch die Metallplatte beeinträchtigt ist, wird ein niederfrequen ter Schall erzeugt. Mit anderen Worten: Die Größe ist redu ziert, während der Schall mit gleicher Frequenz erzeugt wird. Die Zertrümmerungsfestigkeit läßt sich jedoch durch Ausbil dung der Harzschichten 6 und 7 als Verstärkungselemente erhö hen, ohne dadurch einen Schalldruck in der Vorder- und der Rückseite zu beeinträchtigen, und somit ist die Resonanzfre quenz erheblich verbessert.

Fig. 7 stellt dar, daß die Größe einer Membran 1 zum Bei spiel ca. 10 mm × 10 mm × 0,08 mm beträgt und der Schalldruck zum Zeitpunkt der Beschichtung eines Klebstoffs der Epoxid gruppe eine Dicke von ca. 20 µm zu der Ober- und der Unter seite der Membran 1 mit den Harzschichten 6 und 7, verglichen mit dem Fall, bei dem keine Harzschicht vorhanden ist, auf weist. Wie in Fig. 7 dargestellt, gibt es keine Schalldruck reduzierung und Frequenzveränderung durch Aufbringung der Harzschicht 6 und 7.

Tabelle 1 vergleicht die Zertrümmerungsfestigkeit im Fall bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, wobei die Harz schichten 6 und 7, wie in Fig. 7 dargestellt, an der Membran 1 vorgesehen sind, mit Vergleichsartikeln, bei denen die Harzschicht nicht vorhanden ist. In der Tabelle bezeichnet "○" die Tatsache, daß kein Riß entsteht, und "X" bedeutet, daß ein Riß entsteht. Es wird ein Fallversuch durchgeführt, bei dem die Membran 1 in das in Fig. 1 abgebildete Gehäuse eingesetzt, an einem 100 g-Gewicht einer Versuchsvorrichtung befestigt und in horizontaler Richtung fallengelassen wird.

Tabelle 1

Im obigen Beispiel wurden folgende Wirkungen unter Verwendung einer im wesentlichen rechteckigen Membran 1 erzielt.

Ein erster Punkt ist, daß die Schallumwandlungsleistung bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung stark verbessert wird. Da nur der mittlere Teil einen Maximalpunkt in einer Membran mit kreisförmigem Gehäuse definiert, ist das Verdrän gungsvolumen klein und die Schallumwandlungsleistung relativ gering. Außerdem wird die Frequenz hoch, weil der Membranum fang eingespannt ist. Die Radiusabmessung wird groß, wenn die piezoelektrische Membran mit niedriger Frequenz hergestellt werden soll. Andererseits besteht bei einem Gehäuse mit im wesentlichen rechteckiger Membran 1 entlang der Mittellinie in Längsrichtung ein Maximalpunkt, und das Verdrängungsvolu men ist groß. Es kann eine hohe Schallumwandlungsleistung erreicht werden. Außerdem wird, obschon beide Enden in Längs richtung der im wesentlichen rechteckigen Membran 1 fixiert sind, im Vergleich zur kreisförmigen Membran eine niedrige Frequenz erzielt, da ein dazwischenliegender Teil durch die elastischen Dichtmittel 14a und 14b frei verschoben werden kann. Umgekehrt läßt sich die Größe reduzieren, wenn die gleiche Frequenz erzielt wird.

Ein zweiter Punkt ist, daß die Produktivität verbessert wird, obgleich im Fall einer im wesentlichen kreisförmigen Membran zahlreiche Stanzmarken erzeugt werden, da eine Membran aus einer Trägerplatte ausgestanzt wird. Da bei einer im wesent lichen rechteckigen Membran ein laminierter piezoelektrischer Schwinger nach dem Dicing- oder einem anderen geeigneten Verfahren ausgeschnitten werden kann, entstehen weniger Stanzmarken. Da darüber hinaus die Beschichtung und der Film einer Harzschicht auf einer sehr großen Trägerplatte ausge bildet werden können, verbessert sich die Massenproduktions eignung erheblich, und es besteht der Vorteil, daß sich die Zahl der erforderlichen Fertigungsvorgänge reduziert.

Die Fig. 8 und Fig. 9 zeigen eine zweite bevorzugte Ausfüh rungsform einer Membran. Diese Membran 30 wird vorzugsweise durch Laminierung der beiden im wesentlichen rechteckigen Keramikschichten 31 und 32 ausgebildet, wie bei der in Fig. 5 und Fig. 6 dargestellten Membran 1, und die Hauptflächen elektroden 33 und 34 werden auf der Ober- und Unterseite der Membran 30 ausgebildet. Die Hauptflächenelektroden 33 und 34 sind miteinander über die erste Seitenelektrode 38 verbunden, die auf einer Seitenfläche der Membran 30 liegt, und die Innenelektrode 35 ist mit der zweiten Seitenelektrode 30 verbunden, die sich auf der gegenüberliegenden Seitenfläche befindet.

Bei dieser bevorzugten Ausführungsform sind die Seitenelek troden 38 und 39 nur auf der Seite der Keramikschichten 31 und 32 angeordnet, und ein Teil der Seitenelektrode 39 ist sogar der Ober- und Unterseite der Keramikschichten 31 und 32 zugewandt. Die Kerben 36a und 37a, in denen ein Teil der Hauptflächenelektroden 33 und 34 freiliegt, sind auf der einen Endfläche der Harzschichten 36 und 37 ausgebildet. Die Kerben 36b und 37b, in denen ein Teil der der Ober- und Un terseite der Keramikschichten 31 und 32 zugewandten Seiten elektrode 39 freiliegt, sind an der anderen Endfläche der Harzschichten 36 und 37 ausgebildet.

Die Elektroden 33 und 34 und die Seitenelektrode 39 sind zu der Vorder- und der Rückseite der Membran 1 durch die Kerben 36a und 37a sowie 36b und 37b freiliegend. Wenn deshalb die Membran 30 mittels eines elektrisch leitenden Klebers oder eines anderen geeigneten Materials oder Verfahrens nach außen verbunden wird, läßt sich der Verbindungsvorgang leicht und abschließend durchführen. Bei der in Fig. 5 und Fig. 6 abge bildeten Membran 1 besteht darüber hinaus, da die Elektrode nicht an der Oberfläche der Harzschichten 6 und 7 ausgebildet werden muß, der Vorteil, daß der Vorgang der Elektrodenaus bildung stark vereinfacht wird.

Fig. 10 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer Membran. Die Membran 40 nach dieser bevorzugten Ausführungs form wird durch Laminierung von drei piezoelektrischen Kera mikschichten 41 bis 43 ausgebildet. Die Hauptflächenelektro den 44 und 45 liegen an der Oberfläche der Keramikschicht 41 und der Rückseite der Keramikschicht 43. Die Innenelektroden 46 und 47 sind an den entsprechenden Keramikschichten 41 bis 43 angebracht. Wie ein dick gezeichneter Pfeil zeigt, sind die drei Keramikschichten 41 bis 43 in der gleichen Richtung in Dickenrichtung polarisiert.

Die Harzschichten 48 und 49, die die Hauptflächenelektroden 44 und 45 bedecken, sind vollständig auf der Vorder- und Rückseite einer Membran 40 ausgebildet. Die Hauptflächenelek troden 44 und 45 erstrecken sich, wie im Fall der Fig. 6, von einer kurzen Seite bis unmittelbar vor eine andere kurze Seite der Membran 40, und ein Ende davon ist mit der auf einer kurzen Seite der Membran 40 ausgebildeten Seitenelek trode 50 verbunden. Somit sind die Hauptflächenelektroden 44 und 45 der Vorder- und Rückseite miteinander verbunden. Au ßerdem erstrecken sich die Innenelektroden 46 und 47 ebenso symmetrisch wie die Hauptflächenelektroden 44 und 45 von einer weiteren kurzen Seite bis unmittelbar vor eine kurze Seite, und ein Ende davon ist mit der auf einer weiteren kurzen Seite der Membran 40 ausgebildeten Seitenelektrode verbunden. Deshalb sind die Innenelektroden 46 und 47 eben falls miteinander verbunden. Außerdem sind die Seitenelektro den 50 und 51 so ausgebildet, daß sie der Vorder- und Rück seite der Harzschichten 48 und 49 zugewandt sein können.

Wenn beispielsweise eine negative Spannung an die Seitenelek trode 50 und eine positive Spannung an die Seitenelektrode 51 angelegt wird, entsteht das elektrische Feld in der Richtung, die in Fig. 10 durch den dünn gezeichneten Pfeil dargestellt ist. Wenn die auf beiden Seiten der Keramikschicht 42, die eine Zwischenschicht ist, vorhandenen Innenelektroden 46 und 47 zu diesem Zeitpunkt das gleiche Potential aufweisen, wird kein elektrisches Feld erzeugt. Wenn die Richtung einer Pola risierung und die Richtung eines elektrischen Felds gleich sind, schrumpft die Keramikschicht 41 der Vorderseite in Richtung einer ebenen Fläche, und da die Richtung einer Pola risierung und die Richtung eines elektrischen Felds einander entgegengesetzt sind, dehnt sich die Schicht 43 einer Rück seite in Richtung einer ebenen Oberfläche aus, und daher kommt es bei der Zwischenschicht 42 weder zu einer Ausdehnung noch zu einer Schrumpfung. Wenn zwischen den Seitenelektroden 50 und 51 eine Wechselspannung angelegt wird, kann eine Mem bran 50 die Biegeschwingung periodisch hervorrufen und kann somit den Schall mit hohem Schalldruck erzeugen.

Obgleich gemäß Fig. 10 die Seitenelektroden 50 und 51 so angeordnet sind, daß sie der Vorder- und Rückseite der Harz schichten 48 und 49 zugewandt sein können, wie es bei Fig. 8 der Fall ist, können die Hauptflächenelektroden 44, 45 und die Seitenelektrode 41 dadurch freigelegt werden, daß ein Teil der Harzschichten 48 und 49 eingekerbt wird.

Das Fertigungsverfahren für die Membranen 1, 30 und 40 der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen geht vor zugsweise wie folgt vonstatten: Zwei oder drei grüne Keramik platten werden durch einen Elektrodenfilm laminiert, und das daraus resultierende Laminat wird beispielsweise gleichzeitig gesintert. Dann erfolgt die Polarisierung des gesinterten Laminats. Anschließend wird auf der Ober- und Unterseite des polarisierten Laminats eine Harzschicht ausgebildet und das Laminat wird auf eine bestimmte Elementgröße zugeschnitten und dann werden Seitenelektroden an den Seiten jedes einzel nen Elements geformt.

Anstelle dieses Verfahrens besteht außerdem die Möglichkeit, daß zwei oder drei zuvor gesinterte und polarisierte Keramik schichten laminiert und verklebt werden, daß auf der Ober- und Unterseite des Laminats Harzschichten ausgebildet werden und das Laminat auf eine bestimmte Elementgröße zugeschnitten wird und anschließend Seitenelektroden an den Seiten jedes Elements ausgebildet werden.

Im Vergleich zu dem letztgenannten Verfahren, bei dem zuvor gesinterte Keramikschichten laminiert werden, kann das erst genannte Verfahren, bei dem die Sinterung nach der Laminie rung erfolgt, die Dicke einer Membran beträchtlich verringern und den Schalldruck erhöhen. Deshalb ist es möglich, eine Membran mit ausgezeichneter Schallumwandlungsleistung herzu stellen. Außerdem funktioniert die Harzschicht, wenn ein Trägerlaminat in zahlreiche Elemente geschnitten wird, auch als Verstärkungsschicht zur Verhinderung von Rißbildungen im Element.

Die Erfindung kann in unterschiedlicher Weise verändert wer den und beschränkt sich nicht auf die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen.

Die Form einer erfindungsgemäßen Membran (Laminat) beschränkt sich nicht auf eine im wesentlichen rechteckige Form, wie bei den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsarten, sondern kann stattdessen andere Formen aufweisen, zum Beispiel im wesentlichen kreisförmig oder anders geformt. Bei einem im wesentlichen kreisförmigen Gehäuse ist außerdem der Schall druck im Vergleich zu einer Einelement-Membran wesentlich höher.

Die Gehäusekonstruktion zur Aufnahme einer Membran (Laminat) beschränkt sich nicht auf die in den Fig. 1 bis 4 beschriebe ne Konstruktion. Obgleich die Elektroden 21a und 21b für die Außenverbindung gemäß der Abbildung in Fig. 1 bis 4 auf der Platte 20 ausgebildet waren, kann die Elektrode für die Au ßenverbindung auf einer Gehäuseseite 10 ausgebildet sein oder es kann eine Klemme daran befestigt werden. In diesem Fall liegen deshalb eine Platte und ein Gehäuse umgekehrt.

Die erste und die zweite Seitenelektrode 8 und 9 auf einer Membran 1 beschränken sich nicht auf die in den Fig. 5 und 6 dargestellte Anordnung auf einander gegenüberliegenden Seiten. Sie können ebenso in einer anderen Lage auf der glei chen Seite der Membran ausgebildet sein und somit aneinander angrenzen. Außerdem kann der erfindungsgemäße piezoelektro akustische Wandler auch als Schallaufnahmekörper, zum Bei spiel als piezoelektrischer Kopfhörer, verwendet werden, abgesehen von der Anwendung als Schallabgabekörper wie ein piezoelektrischer Summer, eine piezoelektrische Schallerzeu gungsvorrichtung und ein piezoelektrischer Lautsprecher.

Wie oben deutlich beschrieben, sind nach einer ersten bevor zugten Ausführungsform der Erfindung Hauptflächenelektroden auf der Vorder- und der Rückseite des piezoelektrische Kera mikschichten enthaltenden Laminats ausgebildet, die Innen elektroden sind zwischen entsprechenden Keramikschichten ausgebildet, und alle Keramikschichten sind in Dickenrichtung in der gleichen Richtung polarisiert. Wenn ein alternierendes Signal zwischen der Hauptflächenelektrode und der Innenelek trode angelegt wird, dehnen sich die Keramikschichten der Vorder- und der Rückseite in entgegengesetzten Richtungen aus und das Laminat erzeugt Biegeschwingungen als Ganzes. Da diese Verdrängung im Vergleich zu einer Einelement-Membran weit größer ist, erhöht sich dadurch der Schalldruck erheb lich.

Da außerdem sämtliche Keramikschichten in Dickenrichtung in der gleichen Richtung polarisiert sind, erübrigt sich auf grund dieser Erfindung die komplizierte Zusammenschaltung zwischen einer Hauptflächenelektrode und einer Innenelektro de, wie sie nach dem bisherigen Stand der Technik erforder lich war. Es reicht aus, einfach ein alternierendes Signal zwischen einer Hauptflächenelektrode und einer Innenelektrode anzulegen und die Konstruktion ist äußerst einfach und ver ringert die Fertigungskosten beträchtlich.

Weiterhin kann das Laminat, da die Vorder- und die Rückseite eines Laminats von der Harzschicht bedeckt sind, verstärkt werden, wodurch sich die Zertrümmerungsfestigkeit beträcht lich erhöht. Da die Harzschicht die Biegeschwingung des Lami nats nicht verhindert, wird der Schalldruck nicht beeinträch tigt und die Resonanzfrequenz nicht erhöht.

Obgleich bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrie ben wurden, sind verschiedene Arten der Anwendung der hier beschriebenen Prinzipien als im Rahmen der nachfolgenden Ansprüche liegend anzusehen. Deshalb ist der Anwendungsbe reich der Erfindung nicht als eingeschränkt zu betrachten, außer in dem in den Ansprüchen dargelegten Umfang.

Claims

1. Piezoelektrischer akustischer Wandler, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Mehrzahl von piezoelektrischen Keramik schichten miteinander zu einem Laminat verbunden sind,
Hauptflächenelektroden auf vorderen und hinteren Hauptflächen des genannten Laminats angeordnet sind, eine interne Elektro de zwischen entsprechenden Keramikschichten angeordnet ist und alle Keramikschichten in der gleichen Richtung, die eine Dickenrichtung derselben darstellt, polarisiert sind,
der genannte piezoelektrische akustische Wandler als Reaktion auf das Anlegen eines alternierenden Signals zwischen den Hauptflächenelektroden und der Innenelektrode Biegeschwingun gen erzeugt und
eine Harzschicht so angeordnet ist, daß sie im wesentlichen die gesamte vordere und hintere Fläche des Laminats bedeckt.

2. Piezoelektrischer akustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Harzschicht eine versteifte Überzugsschicht ist.

3. Piezoelektrischer akustischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er weiterhin einen unterhalb der versteiften Harzüberzugsschicht angeordneten Harzpastenfilm enthält.

4. Piezoelektrischer akustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Harzschicht ein mit dem Lami nat verklebter Harzfilm ist.

5. Piezoelektrischer akustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laminatkörper eine im wesent lichen rechteckige Form hat.

6. Piezoelektrischer akustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptflächenelektroden an der vorderen und hinteren Fläche jeweils durch eine auf einer Seite des Laminats angeordnete erste Seitenelektrode geführt sind und die Innenelektrode mit einer zweiten Seitenelektrode geführt ist, die auf einer Seite einer Position liegt, welche von der ersten Seitenelektrode verschieden ist.

7. Piezoelektrischer akustischer Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Seiten elektrode so angeordnet sind, daß sie der vorderen und der hinteren Fläche der Harzschichten zugewandt sind.

8. Piezoelektrischer akustischer Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Seitenelektrode so angeordnet ist, daß sie der vorderen und der hinteren Fläche des Laminats zugewandt ist und die Harzschichten mit einer ersten Kerbe, in der ein Teil der Hauptflächenelektroden an der vorderen und der hinteren Fläche freiliegen, und einer zweiten Kerbe, in der ein Teil der der vorderen und hinteren Fläche des Laminats zugewandten zweiten Seitenelektroden freiliegen, versehen sind.