設計壓電元件的方法
2023-09-09 19:30:20 3
專利名稱：設計壓電元件的方法
技術領域：
本發明涉及設計用作梯形濾波器、振蕩器、鑑別器或其它電子元件的壓電元件的方法。更具體地說，本發明涉及一種設計壓電元件的方法，在這種壓電元件中，壓電元件和終端由沿厚度方向施加的支持壓力固定在位置上。
典型地，在這種壓電元件中，壓電諧振器、終端和彈簧件包含在罩子中。壓電諧振器和終端由支持壓力支持，該支持壓力沿厚度方向，並由彈簧件產生。另外，罩子的內部通過設置一個包含樹脂防滲板的蓋子，並在罩子的開口施加樹脂來密封。壓電諧振器和終端通過由彈簧件施加的支持壓力相互電氣連接。
這樣的壓電元件必然遇到諧振器、終端和彈簧件厚度的變化和罩子內部尺寸的變化。
因此，如果壓電諧振器、終端和彈簧件的各個尺寸的變化小，則壓電諧振器和終端的接觸壓力(支持壓力)小。結果，發生連接差，和抗震可靠性大大減小的問題。
另一方面，如果壓電諧振器、終端和彈簧件的各個尺寸變化大，壓電諧振器和終端的接觸壓力(支持壓力)大，由此非常難裝配元件。另外，有一個問題，即，電氣特性由於壓電諧振器的過度阻尼而惡化。
為了克服上述問題，傳統地，通過在形成壓電諧振器時對壓電諧振器的研磨或調整終端的厚度，使罩子中所包含的元件的厚度相同，使接觸壓力穩定。
但是，在上述實施例中，調整工序非常昂貴，並需要很大的努力。
為了克服上述問題，本發明實施例提供了一種製造壓電元件的方法，它可以在即使當構成壓電元件的元件厚度發生變化時也達到適當的接觸壓力。
根據本發明的較佳實施例，製造壓電元件的方法包含步驟設置具有開口的罩子；將壓電諧振器放置到罩子中；在罩子中安排包含外部連接部分的終端，以便從罩子的開口延伸到罩子的外部；將彈簧件安排在罩子中，並沿厚度方向保持和壓電諧振器以及終端的接觸；以及設計和形成彈簧件的步驟包含步驟如此設計彈簧件，從而壓電諧振器和終端由一個支持壓力支持，所述支持壓力的範圍是當彈簧高度是SMIN時不大於FMAX，而當彈簧高度是SMAX時則不小於FMIN，其中壓電諧振器、終端和彈簧件的厚度不小於TMIN的最小值，並且不大於TMAX的最大值。罩子內部的尺寸範圍不小於WMIN的最小值，並且不大於WMAX的最大值，壓電諧振器和終端的支持壓力範圍不小於FMIN的最小值，並且不大於FMAX的最大值，SMIN是當壓電諧振器、終端和彈簧件的厚度為TMAX的最大值，並且罩子內部的尺寸範圍是WMIN的最小值時的彈簧高度，，並且SMAX是當壓電諧振器、終端和彈簧件的厚度是TMIN的最小值，罩子內部的尺寸範圍是WMAX的最大值時的彈簧高度。
根據本發明的另一個較佳實施例，設計壓電諧振器(包含具有開口並且大致上為盒子形狀的罩子，包含在所述罩子內的壓電諧振器，包括從罩子的開口延伸到罩子的外側的外部連接部分的終端，和安排在罩子中，並保持沿厚度方向與壓電諧振器和終端接觸的彈簧件)的方法包含步驟如此設計彈簧件，從而壓電諧振器和終端通過一個支持壓力支持，該所述支持壓力由彈簧施加，並且在不大於當彈簧高度為SMIN時的FMAX，並且不小於當彈簧高度是SMAX時的FMIN的範圍內，其中壓電諧振器、終端和彈簧件的厚度範圍不小於TMIN的最大值，並不大於TMAX的最小值，罩子的內部尺寸範圍是不小於WMIN的最小值，並且不大於WMAX的最大值，壓電諧振器和終端的支持壓力範圍是不小於FMIN的最小值，並且不大於FMAX的最大值，SMIN是當壓電諧振器、終端和彈簧件的厚度是TMAX的最大值，並且罩子的內部尺寸是WMIN的最小值時的彈簧高度，並且SMAX是當壓電諧振器、終端和彈簧件的厚度是TMIN的最小值，並且罩子的內部尺寸範圍是WMAX的最大值時的彈簧高度。
在本發明的較佳實施例中，彈簧可以具有線性彈簧特性或非線性彈簧特性。
還有，較好地，元件的尺寸和罩子的內部尺寸的變化範圍，即，彈簧高度SMIN-SMAX的允許範圍應該寬。
另外，當彈簧高度小時由彈簧件施加的壓力的變化最好較小。
另外，考慮到產品的裝配和尺寸，原來的彈簧高度應該低。
在本發明的較佳實施例中，彈簧可以由不同於終端的材料製成。或者，可以將相同的材料用於彈簧件和終端。對於具有彈簧特性的材料，可以使用諸如橡膠之類的彈性體代替板狀金屬彈簧。
從下面參照附圖對本發明的描述，本發明的其它特點和優點是顯然的。
圖1是根據本發明的較佳實施例的壓電元件透視圖。
圖2是沿圖1取得的截面圖。
圖3是示出在本發明的較佳實施例中彈簧高度範圍和允許壓力範圍的圖。
圖4是具有適當的彈簧特性的彈簧件的特性示圖。
圖5是示出調節彈簧特性的方法的一個例子的示圖。
圖6是調節彈簧特性的方法的另一個例子的示圖。
圖7是當彈簧具有非線性特性時的彈簧特性的示圖。
圖8是示出理想的彈簧的特性的示圖。
圖9是將本發明的較佳實施例應用於梯形濾波器的分解透視圖。
圖10是圖9所示的梯形濾波器的截面圖。
圖11是圖9所示的梯形濾波器的俯視圖、正視圖、右視圖和左視圖、仰視圖和後視圖。
圖12是圖9所示的梯形濾波器的電路圖。
圖13是圖9所示的梯形濾波器的彈簧件的特性示圖。
下面將參照示出根據本發明的較佳實施例的壓電元件的一個例子的圖1和2，解釋上述方法。
這裡，參數1指壓電諧振器，它的前表面和後表面上具有電極。參數2和3指終端。參數4、5、6和7分別指彈簧件、罩子、樹脂防滲板和密封樹脂。
彈簧件4壓力裝配在終端3和罩子5的內壁上。通過由彈簧件4施加的持續的壓力，使壓電諧振器1的一對電極和終端2會相互接觸，並電氣連接。將外部連接部分2a和3a與終端2和3整體化，並安排得從罩子5朝外延伸。
假設罩子5的內部尺寸為W，元件的總厚度為T，並且彈簧件4的彈簧高度為S。這裡，彈簧高度S是彈簧件可以沿厚度方向變形的高度或尺寸，它不包含彈簧件的厚度。
如圖3所示，設置了一個區域，該區域由X-Y軸中的虛線指出，其中橫軸表示支持壓力，豎軸表示彈簧高度。該區域由彈簧高度(SMIN-Smax)和支持壓力(FMIN-Fmax)的允許範圍圍繞而成。在本發明的較佳實施例中，如此設計彈簧件，從而壓電諧振器和終端由一個支持壓力支持，該支持壓力當彈簧高度為SMIN時不大於FMAX，當彈簧高度是SMAX時也不小於FMIN。例如，當Y＝aX+b，a＜0，b＞0其中Y是彈簧高度，X是彈簧壓力時，a和b如此確定，從而表示X-Y坐標軸中的等式Y＝aX+b的線通過上述區域的上側和下側，如圖4所示。
特別地，a和b的值最好滿足下面的公式
a≤(SMAX-SMIN)/(FMIN-FMAX)(1)SMAX-aFMIN≤b≤SMIN-aFMAX(2)通過如上所述地設計彈簧件，即使發生沿壓電諧振器的厚度方向、終端和替換件的振動和罩子內部尺寸的變化，仍然可以得到適當的接觸力。因此，通過這樣的結構和安排，可以達到具有高電氣可靠性的壓電元件。即，通過本發明的較佳實施例，可以克服諸如連接差、抗震惡化、裝配和生產難、壓電諧振器阻尼之類的問題。
在圖5中表示為斜線的彈簧件的彈簧常數(＝1/a)可以由彈簧的材料、厚度和其它特性調節。當不改變彈簧常數而使支持壓力變化時，可以通過改變彈簧高度調節斜線，如圖6所示。按照這樣的方法，可以通過設置彈簧常數(斜線)和依賴的彈簧高度的適當組合得到適當的彈簧特性。
另外，在圖5和圖6中，線「G」是適當的彈簧特性，線「NG」是不適當的彈簧特性。
另外，注意本發明不限於上述線性彈簧特性。還可以使用具有非線性彈簧特性的彈簧件。即，如果彈簧特性具有大致上如圖7所示的凸起的形狀時，原來的彈簧高度可以降低，這對於裝配是有利的。另外，當彈簧高度降低時由彈簧件施加的壓力的變化大。這適合於實際使用，並且罩子的內部尺寸可以減小，由此，罩子的尺寸大大減小。
另一方面，如果彈簧件具有大致上凹下形狀的彈簧特性B，如圖7所示，則原來的彈簧高度非常高。在這種情況下，裝配變難，當彈簧高度降低時由彈簧件施加的壓力的變化小，這適合於實際使用。當彈簧高度高時可以使用這種元件，但是這引起不利，即，罩子本身變大。
支持壓電諧振器的彈簧件的較好的特性的要點如下首先，元件的尺寸的和罩子內部的尺寸變化範圍，換句話說，即彈簧高度的允許範圍SMIN-SMAX應該寬。
第二，當彈簧高度低時由彈簧件施加的壓力的變化最好小。
第三，原來的彈簧高度在考慮到裝配和產品尺寸時應該小。
考慮到上述情況，具有大致上凸起形狀的彈簧特性是較好的。為了使產品的尺寸儘可能小，當元件的厚度是最大，並且罩子的內部最小時，彈簧高度應該設置為0。即，如圖8所示，理想地是SMIN＝0。
在本發明的較佳實施例中，不需要由不同於終端的材料形成彈簧件。可以將相同的材料用於彈簧件和終端。對於具有彈簧特性的材料，可以使用諸如橡膠之類的彈性體來代替平板形狀的金屬彈簧。
圖9-11示出一種表面安裝型梯形濾波器，它是本發明的較佳實施例的壓電元件的例子。
較好地，這種梯形濾波器具有多個元件，並構成了如圖12所示的梯形電路。通過分隔壁10a將罩子10的內部範圍成兩個腔體10b和10c。在一個腔體10b中設置串聯諧振器11和12、並聯諧振器14、輸入終端17、連接終端18的一個電極板部分18a、連接終端19的一個電極板部分19a和接地終端20。在另一個腔體10c中，設置串聯諧振器13、並聯諧振器15和16、輸出終端21、連接終端18的另一個電極板部分18b、連接終端19的另一個電極板部分19b和接地終端22。
串聯諧振器11-13和並聯諧振器14-16最好都是適合於以方形振動模式振動的壓電諧振器，並且電極設置在壓電諧振器的前表面和後表面上。
罩子10的一側通過一個開口敞開。輸入終端17的外部連接部分17a和輸出終端21的外部連接部分21a分別從開口朝外延伸。將用於防止樹脂滲入的板23安裝到罩子10的開口，並在上面填密封樹脂24。另外，在板23上設置狹縫23a和23b(見圖9)，用於引輸入終端17和輸出終端21的外部連接部分17a和21a。將兩個終端牽引孔(draw-through hole)10d和10e設置在罩子10的開口所相對的一側。接地終端20和22的外部連接部分20a和22a分別從這些牽引孔10d和10e引出。罩子10的終端牽引孔10d和10e也由密封樹脂24密封。相應地，實現對罩子10內部的密封。
在填充了樹脂24後，如圖11所示，從罩子10引出的外部連接部分17a、20a、21a和22a沿罩子10的側壁朝下彎曲，並且沿罩子10的底表面向裡面彎曲。
在這個較佳實施例的梯形濾波器中，最好由曲面形狀的彈簧(用作彈簧件)限定輸入終端17和接地終端20。連接終端18和19具有這樣的結構，它們通過窄的連接件18c和19c，分別整體地連接兩個彎曲的電極板部分18a和18b，以及19a和19b。另外，電極板部分18b和19b分別是彎曲的，由此允許連接終端18和19用作彈簧件。由此，由於彈簧件不用作不連續而獨立的元件，故可以減小元件的數量，並達到降低成本和減小尺寸。
這裡，將解釋設計輸入終端17、接地終端20和連接終端18和19(它在上述梯形濾波器中是彈簧件)的電極板部分18b和19b的方法。
首先，最好將壓電諧振器11-16和終端17-22的厚度變化範圍設置在大約2120+/-180(1940-2300)微米，並且最好將罩子10的內部尺寸的變化範圍設置在大約2400+/-20(2380-2420)微米。在這種情況下，彈簧高度的範圍大約80-480微米，這是因為2380-2300＝80微米，並且2420-2940＝180微米。
在上述梯形濾波器中，由於將兩個彈簧件設置在每一個腔體10b和10c中，故彈簧高度的允許範圍大約40微米到大約240微米。
另一方面，考慮到壓電諧振器的阻尼、抗震、裝配和其它的因素，壓電諧振器11-16和終端17-22的支持壓力(接觸壓力)的範圍最好是大約100g到大約300g。這個範圍作為在實踐中為壓電諧振器的支持壓力的適當範圍，是已知的。
因此，當彈簧高度為大約40微米時，支持壓力的允許範圍不大於大約300g，而當彈簧高度大約240微米時，不小於100g。
所述關係將由公式(1)表示。由於SMIN＝40微米，SMAX＝240微米，FMAX＝300g而FMIN＝100g，a≤(240-40)/(100-300)即，a≤-0.1(微米/g)最好是一種由滿足上述條件的適當的材料製成，並具有適當的厚度和形狀製成的彈簧。例如，當材料是磷銅，形狀為彎曲的板時，″a″的值如表1所示，根據厚度為70、100和150微米的情況確定。
表1
如從表1中顯然的，如果厚度不大於大約100微米，滿足上述″a″的條件。在這種情況下，選擇厚度為70微米的彈簧(a＝-1.4)。
下面將計算″b″的值。當代替上述值(SMIN＝40微米，SMAX＝240微米，FMAX＝300g，FMIN＝100g)時，公式(2)如下240-(-1.4)×100≤b≤40-(-1.4)×300即，380≤b≤460(微米)這裡，″b″確定是450微米。
如上所述，上述梯形濾波器的彈簧件確定如下材料磷銅，厚度70微米，形狀彎曲板，原來的高度450微米。
圖13示出了如在X-Y坐標軸中確定的彈簧件的彈簧特性，其中橫軸表示支持壓力，豎軸表示彈簧高度。
如從圖13顯然的，彈簧特性滿足原來的設置範圍，它如上所述地確定。換句話說，彈簧特性滿足適當的範圍。
在本較佳實施例中，最好將彎曲板彈簧用作彈簧件。但是，本發明不限於這種類型的彈簧，還可以使用諸如十字圓蓋形等各種其它形狀的板狀彈簧。
罩子的形狀和壓電諧振器的形狀不限於上述實施例中所提供的情況。另外，在較佳實施例中，最好將終端用作彈簧件。但是，可提供和終端分開的彈簧件。
雖然已經參照本發明的較佳實施例，具體地示出和描述了本發明，熟悉本領域的人將知道，在不背離本發明的主旨的條件下，可以有上述和其它形式上和細節上的修改。
權利要求
1.一種製造壓電元件的方法，其特徵在於包含以下步驟設置具有開口的罩子；將壓電諧振器放置到罩子中；在罩子中安排包含外部連接部分的終端，以便從罩子的開口延伸到罩子的外部；設計和形成彈簧件；將彈簧件安排在罩子中，並沿厚度方向保持和壓電諧振器以及終端的接觸；其中設計和形成彈簧件的步驟包含步驟如此設計彈簧件，從而壓電諧振器和終端由一個支持壓力支持，所述支持壓力由彈簧施加，它在這樣的範圍內，即，當彈簧高度是SMIN時不大於FMAX，並且當彈簧高度是SMAX時不小於FMIN，其中壓電諧振器、終端和彈簧件的厚度不小於TMIN的最小值，並且不大於TMAX的最大值，罩子內部的尺寸範圍不小於WMIN的最小值，並且不大於WMAX的最大值，壓電諧振器和終端的支持壓力範圍不小於FMIN的最小值，並且不大於FMAX的最大值，SMIN是當壓電諧振器、終端和彈簧件的厚度為TMAX的最大值，並且罩子內部的尺寸範圍是WMIN的最小值時的彈簧高度，，並且SMAX是當壓電諧振器、終端和彈簧件的厚度是TMIN的最小值，罩子內部的尺寸範圍是WMAX的最大值時的彈簧高度。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於當Y＝aX+b(a＜0，b＞0)，其中Y為彈簧高度，X是彈簧壓力，確定a和b的值以滿足下面兩個公式a≤(SMAX-SMIN)/(FMIN-FMAX)和a＜0，b＞0SMAX-aFMIN≤b≤SMIN-aFMAX
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於壓電諧振器的一對電極和終端通過由彈簧件施加的支持壓力，相互接觸並電氣連接。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於外部連接部分和終端成為整體，並且安排得從罩子朝外延伸。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於將彈簧件設計得具有線性彈簧特性。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於將彈簧件設計得具有非線性彈簧特性。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於將彈簧件設計得具有大致上凸起形狀的彈簧特性。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於將彈簧件設計得具有大致上凹下形狀的彈簧特性。
9.如權利要求1所述的方法，其特徵在於彈簧件由不同於終端的材料製成。
10.如權利要求1所述的方法，其特徵在於彈簧件由和終端相同的材料製成。
11.如權利要求1所述的方法，其特徵在於壓電元件是表面安裝型梯形濾波器。
12.如權利要求1所述的方法，其特徵在於彈簧高度的範圍在大約80微米到大約480微米。
13.如權利要求1所述的方法，其特徵在於彈簧高度的範圍在大約40微米到大約240微米。
14.如權利要求1所述的方法，其特徵在於壓電諧振器的支持壓力的範圍最好是大約100g到大約300g。
15.一種設計壓電元件的方法，其中所述壓電元件包含具有開口的罩子，包含在所述罩子內的壓電諧振器，包括從罩子的開口延伸到罩子的外側的外部連接部分的終端，和安排在罩子中，並保持沿厚度方向與壓電諧振器和終端接觸的彈簧件，所述方法的特徵在於包含步驟如此設計彈簧件，從而壓電諧振器和終端通過一個支持壓力支持，該所述支持壓力由彈簧施加，並且當彈簧高度為SMIN時不大於FMAX，並且當彈簧高度是SMAX時不小於FMIN的範圍內，其中壓電諧振器、終端和彈簧件的厚度範圍不小於TMIN的最大值，並不大於TMAX的最小值，罩子的內部尺寸範圍是不小於WMIN的最小值，並且不大於WMAX的最大值，壓電諧振器和終端的支持壓力範圍是不小於FMIN的最小值，並且不大於FMAX的最大值，SMIN是當壓電諧振器、終端和彈簧件的厚度是TMAX的最大值，並且罩子的內部尺寸是WMIN的最小值時的彈簧高度，並且SMAX是當壓電諧振器、終端和彈簧件的厚度是TMIN的最小值，並且罩子的內部尺寸範圍是WMAX的最大值時的彈簧高度；及根據設計彈簧件的步驟中所確定的特性形成彈簧件。
16.如權利要求15所述的方法，其特徵在於當Y＝aX+b(a＜0，b＞0)，其中Y是彈簧高度，X是彈簧壓力，a和b的值確定得滿足下面兩個公式a≤(SMAX-SMIN)/(FMIN-FMAX)和SMAX-aFMIN≤b≤SMIN-aFMAX
17.如權利要求15所述的方法，其特徵在於彈簧件設計得具有線性彈簧特性。
18.如權利要求15所述的方法，其特徵在於彈簧件設計得具有大致上凸起形狀的彈簧特性。
19.如權利要求15所述的方法，其特徵在於彈簧高度的範圍是大約80微米到大約480微米。
20.如權利要求15所述的方法，其特徵在於彈簧高度的範圍是大約40微米到240微米。
21.如權利要求15所述的方法，其特徵在於壓電諧振器的支持壓力的範圍最好是大約100g到大約300g。
22.如權利要求15所述的方法，其特徵在於壓電元件是表面安裝型梯形濾波器。
全文摘要
本發明提供了一種設計壓電元件的方法和製造這種壓電元件的方法,包含步驟:如此設計彈簧件,從而壓電諧振器和終端由一個支持壓力支持,其中其中壓電諧振器、終端和彈簧件的厚度不小於T
文檔編號H03H3/02GK1264958SQ0010362
公開日2000年8月30日 申請日期2000年2月25日 優先權日1999年2月25日
發明者板坂康浩 申請人:株式會社村田製作所