压电装置及设备
阅读：1023发布：2020-05-22
专利汇可以提供压电装置及设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种压电装置(50,60,70)，其包括至少一个元件(58)，元件(58)包括限定区域的至少一个压电材料片材(54)。元件(58)已经安装或放置在 电路 板(30,78)上， 电路板 包括至少一个导电层(51;701,702,703,704)，导电层具有导电层(51，701,702,703,704)中的至少一个开口(35,37;81,82)。元件(58)位于开口(35,37;81,82)上且以这样一种方式由至少一个开口(35,37;81,82)的边缘支承，使得开口(35,37;81,82)沿侧向延伸超过压电材料片材(54)的区域。此外，元件(58)以这样一种方式夹在上覆层(503)与电路板(30,78)之间，使得压电材料的片材(54)的振动足以引起所述上覆层(503)的触觉振动。本 专利 申请 包含针对压电装置的平行独立 权利要求 。，下面是压电装置及设备专利的具体信息内容。
1.一种压电装置(50,60,70)，其包括至少一个元件(58)，所述元件(58)包括限定区域的至少一个压电材料片材(54)，其特征在于：
所述元件(58)安装或放置在电路板(30,78)上，所述电路板包括至少一个导电层(51;
701, 702, 703, 704)，所述导电层具有所述导电层(51; 701, 702, 703, 704)中的至少一个开口(35, 37; 81, 82)；
所述元件(58)位于所述开口(35, 37; 81, 82)上且以这样一种方式由所述至少一个开口(35, 37; 81, 82)的边缘支承，使得所述开口(35, 37; 81, 82)沿侧向延伸超过所述压电材料片材(54)的区域；以及
所述元件(58)以这样一种方式夹在上覆层(503)与所述电路板(30,78)之间，使得所述压电材料片材(54)的振动足以引起所述上覆层(503)的触觉振动。
2.根据权利要求1所述的压电装置(50,60,70,90)，其特征在于：所述导电层(51;702)中的所述至少一个开口(35,37,81,82)包括圆形部分(35)和至所述圆形部分(35)的至少一个延伸部(37;81,82)；以及其中所述元件(58)安装在所述圆形部分(35)上。
3.根据权利要求2所述的压电装置(50, 60, 70, 90)，其特征在于：所述延伸部(37)为沿径向与所述圆形部分(35)分开的节段。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的压电装置(50, 60, 70, 90)，其特征在于，所述开口(35, 37; 81, 82)包括至少两个延伸部(37; 81, 82)，其为沿径向与所述开口(35, 37; 81, 82)间隔开的节段，且已经以对称方式围绕所述开口(35, 37; 81, 82)布置。
5.根据权利要求2至权利要求3中任一项所述的压电装置(50, 60, 70, 90)，其特征在于，所述延伸部(37; 81, 82)包括与所述圆形部分同心的圆形开口，或与所述圆形部分同心的圆环节段。
6.根据前述权利要求1-3中任一项所述的压电装置(50, 60, 70, 90)，其特征在于，所述开口(81,82)包括已经构造成将所述导电层(51,702)的舌片（83）留在它们之间的至少两个延伸部，以及其中所述元件(58）在所述舌片(83)的位置处已经固定到所述电路板(30,
78)上。
压电装置及设备
技术领域
[0001] 本发明涉及压电装置。
背景技术
[0005] 为了改善压电传感器装置的可用性，我们计划以这样一种方式设计多压电装置，使得其可向使用者给予反馈，反馈最有利的是为触觉和听觉两者。
[0006] 基于压电材料的总体性质，包括压电材料片材的元件可通过将电压施加到压电材料片材上来产生振动。
发明内容
[0008] 出于给出触觉反馈的目的，该频率转移(a→a+)对生产不利，因为来自压电材料片材的触觉反馈在大约300Hz下人的感知最强，且在更高的频率下，感知快速降低。然而，出于给出听觉反馈的目的，我们认为频率转移略微有益，尽管听觉反馈对我们不是所需的。人趋于在大约3kHz下观察到来自压电材料片材的最强听觉反馈。
[0009] 然而，且更重要的是，听觉反馈可仍在触觉反馈的区域处感知到，所以我们的发明的第一目的在于改善压电装置的触觉反馈性质。我们发现，我们可通过下调压电装置的峰值共振频率来将此实现。
[0010] 从较大数目的压电装置的生产观点来看，期望的是通过使用表面安装技术借助于拾取和放置装置来组装它们。我们的发明的第二目的在于使用拾取和放置组件来使压电装置的组装更容易。
[0012] 本发明的第二目的可利用第二种压电装置来解决。说明书还描述了该压电装置的有利方面。
[0013] 说明书还描述了其中已经组装的第二种压电装置的设备。
[0014] 发明优点
[0015] 根据本发明的第一方面的压电装置包括至少一个元件，其包括限定区域的至少一个压电材料片材。该元件已经安装或放置在电路板上，电路板包括具有导电层中的至少一个开口的至少一个导电层。元件位于开口上，且以这样一种方式由所述至少一个开口的边缘支承，使得开口沿侧向延伸超过压电材料片材的区域。
[0016] 元件以这样一种方式夹在上覆层与电路板之间，使得压电材料片材的振动足以引起上覆层的触觉振动。
[0017] 我们已经发现，利用该构造，安装元件的共振频率可转移到低频(即，图1的a→a-)，且所以至相比于转移（即，曲线a+）之前的情形可转移到人对触觉感知更强的频率范围。特别有利的是，压电装置可构造成以便施加到上覆层上的压力足以引起至少一个压电材料片材的弯曲，以生成可检测到的信号，在此情况下，压电装置也是传感器装置。
[0018] 根据本发明的第二方面的压电装置包括元件，该元件包括至少一个压电材料片材。元件已经安装或放置在印刷电路板上，其为多层印刷电路板，
[0019] i)其包括在下导电层的两侧上具有至少两个相关联的绝缘层的至少两个导电层，[0020] ii)上绝缘层和上导电层已经在一个位置处从其层除去，以及
[0021] iii)在该处，还存在下导电层中的至少一个开口，
[0022] 使得元件位于开口上，且由下导电层中的开口的边缘支承。
[0023] 元件以这样一种方式夹在上覆层与印刷电路板之间，使得压电材料片材的振动足以引起上覆层的触觉振动。该元件已经通过使用从上方在片材和/或金属盘和多层印刷电路板上产生的至少一个电连接从压电材料片材、从片材已经安装到其上的用于电极的金属盘，或从两者电连接到多层印刷电路板上，且没有从多层印刷电路板除去绝缘材料。
[0024] 我们已经发现，利用该构造，拾取和放置机器可由于除去而更加更有效地使用，除去产生凹口，元件可准确地放置在凹口中。该解决方案使得能够比我们之前的解决方案(参照WO2011/158154A2)更容易且更快组装，其中PCB的导电层与压电材料片材之间的电连接需要接触压电材料的导电层与PCB之间的附加电连接。此时，这由于粘合材料层而有问题，粘合材料层位于PCB与必须击穿的导电层之间。新的解决方案简化了组装，因为现在构件仅需要置于PCB上，此后，电连接从上方在单个过程中产生。
[0025] 导电层中的至少一个开口有利地包括圆形部分和至圆形部分的至少一个延伸部。当元件安装在圆形部分上时，可忽略元件与印刷电路板之间的相互对准。
[0026] 我们已经发现，特别有利的是，延伸部可为沿径向与圆形部分间隔开的节段。以此方式，容易安装性可实际上与频率下调组合。
[0027] 如果开口包括至少两个延伸部，其为沿径向与开口间隔开且已经以对称方式围绕开口布置的节段，则可改善频率下调。作为备选或除此之外，可使得元件的固定更简单。
[0028] 如果延伸部包括与主开口同心的圆形开口，或与主开口同心的圆环的节段，则我们可具体通过较好避免寄生高听觉频率来获得有利的频率轮廓。
[0029] 如果开口包括构造成在它们之间留下导电层的舌片的至少两个延伸部，且其中元件在舌片的位置处固定到印刷电路板上，则可使得元件的固定更简单，因为舌片提供了恰好适于具体通过软钎焊、胶粘或焊接来固定的表面。此外，我们可良好地防止锡、胶水或焊接材料进入元件下方。
[0030] 在该位置处，有利地存在凹口，其具有0.1到0.5mm的其深度，深度由在下一个导电层之前除去最上方的导电层和至少一个绝缘层来引起。由于元件有利地具有0.1到0.5mm的其深度，最优选的是，凹口的深度选择成以便其将大于或等于的元件的厚度。附图说明
[0031] 在下文中，参照附图中的图2到10中所示的实例更详细描述了本发明的两个方面，在附图中：
[0032] 图1示出了随元件的频率变化的共振强度，该元件包括压电材料片材以及用于由元件引起的触觉和听觉信号的典型人类感知；
[0033] 图2示出了用于感光电路板的曝光图案的细节；
[0034] 图3示出了一块印刷电路板；
[0035] 图4为图3的细节；
[0036] 图5示出了包括已经向上弯曲的压电材料片材的元件的区段；
[0037] 图6示出了包括已经向下弯曲的压电材料片材的元件的区段；
[0038] 图7为图4的截面VII-VII，包括具有在各个导电层之间的绝缘层的四个导电层的印刷电路板；
[0039] 图8示出了一块印刷电路板；
[0040] 图9为具有包括安装到其上的压电材料片材的元件的图8中的印刷电路板的截面IX-IX；以及
[0041] 图10示出了具有压电元件与多层印刷电路板的电连接的图7的压电装置。
[0042] 在所有附图中，相同的参考标号表示相同的特征。
[0043] 部件清单
[0044] 21,22,23 曝光图案
[0045] 25 圆形区域
[0046] 26 环
[0047] 27 臂
[0048] 29 环带
[0049] 30 印刷电路板
[0050] 35 圆形开口
[0051] 36 导电区域
[0052] 37 延伸臂
[0053] 39 环带
[0054] 40 单个图案
[0055] 50 压电装置
[0056] 51 印刷电路板的导电层
[0057] 52 印刷电路板的绝缘层
[0058] 53 盘
[0059] 54 压电材料的片材
[0060] 58 元件
[0061] 60 压电装置
[0062] 70 压电装置
[0063] 78 印刷电路板
[0064] 80 单个图案
[0065] 81 臂
[0066] 82 臂
[0067] 83 舌片
[0068] 90 压电装置
[0069] 501 点
[0070] 502 上导电箔片
[0071] 503 上覆层
[0072] 504 粘合物
[0073] 580 孔
[0074] 701,702,703,704 印刷电路板的导电层
[0075] 711,712,713 印刷电路板的绝缘层。
具体实施方式
[0076] 图2示出了可用于制造图3中所示的印刷电路板30的示例性曝光图案21,22,23的细节。 印刷电路板30可通过使一层感光漆曝光给光来印刷，坯料的最上方的导电层51涂布有感光漆，同时使得其例如具有曝光图案。在曝光之后，感光漆不起反应的坯料的导电(主要是金闪熔镀铜)层51的未曝光区域通过蚀刻来除去。这在印刷电路板30通过使用照相方法由坯料制成时是这样。
[0077] 存在用于制造印刷电路板的若干其它已知的方法，且原则上，它们中的任何都可用于制造印刷电路板30。取决于选择的方法，曝光图案的细节可变化。例如，如果印刷电路板30的导电层的曝光区域将被除去，则曝光图案最优选为图2中图案的负片。
[0078] 在我们的实例中，曝光图案21包含圆形区域25、环26和环带29。曝光图案22,23包含三个臂27。将理解的是，各个图案22,23中的臂27可变化。
[0079] 在图2中，臂27的厚度已经由d1,d2和d3表示。作为优选，我们使用了d1=3.0mm，d2=4.0mm和d3=5.0mm。环带29的直径已经由d表示。
[0080] 臂27为圆形区域25中的对称延伸部或挤出部。我们已经注意到，这减小了包含安装在用作电极的金属盘53上的压电材料片材54的元件58的夹持。夹持的减小显著地增大了触觉输出能量，且减小了元件58的寄生听觉输出。
[0081] 夹持的减小可能由两个因素引起。臂27减小由压电材料片材54感知的由元件58的盘53引起的压缩压力。以此方式，夹持的减小降低了组装的装置的有效强度。
[0082] 盘53例如利用软钎焊、胶合或焊接来固定到印刷电路板30上。除固定之外或替代固定，元件58可通过由于上覆层503与电路板51之间的压缩引起的压缩压力而保持就位。开口(圆形开口35、延伸臂37、环带39)限制了盘53与印刷电路板30之间的接触面积。
[0083] 印刷电路板30的导电层51中的开口的臂27延伸超过压电材料片材54的区域。如果开口包括环带39，则环带超过片材54的区域。
[0084] 在图4中，我们看到盘53可与包含单个图案40和包含臂37和导电区域36的实线一样大。从而，圆形开口35应当小于盘53的直径，以便盘53将由圆形开口35的边缘支承，且至圆形开口35的延伸部将达到比压电材料片材54的区域更远。必须理解的是，开口的形状、数目和位置可针对整体结合性质和压电盘性质来相应地优化。
[0085] 元件58通过使用固定材料84如胶水、锡或焊接材料来固定到印刷电路板上。作为备选或除此之外，元件58可由于元件58上方和下方的层之间的压缩压力来保持就位。
[0086] 图5和6示出了包括印刷电路板50和元件58的压电装置58。在元件58的顶部上，更具体是在压电材料的片材54的顶部上，可存在点501。
[0087] 图5、6和7中的压电装置50,60,70可用于实施包括一定数目的压电传感器(2,3,4,5,6...)的多压电装置。参看图2和3中所示的简图，多压电装置包括以这样一种方式夹在上覆层503与电路板30,78之间的一个以上的压电传感器装置，使得施加到上覆层503上的压力(图6中的力F)足以引起压电材料片材54的弯曲。至少一个压电传感器为压电装置50,60,
70，其构造成向压电材料片材54施加振动来在上覆层503中产生触觉振动。
70，其构造成向压电材料片材54施加振动来在上覆层503中产生触觉振动。
[0088] 根据我们的发明的另一个方面，多压电装置可包括一定数目的压电传感器(2,3,4,5,6...)，其以这样一种方式夹在上覆层503与电路板30,78之间，使得施加到上覆层503上的压力(图6中的力F)足以引起压电材料片材54的弯曲。相比于前段中所述的实施例，有可能实施至少一个压电装置50,60,70，其未构造成用作多压电装置中的传感器，以向压电材料片材54施加振动，以在上覆层503中产生触觉振动。
[0089] 可通过使用之前两个段落的任何多压电装置获得的较大优点在于压电传感器可用于感测生成输入的使用者的手指的存在。甚至更好的是，由于设备为多压电装置，故如果使用者的手指的存在可在一个以上的压电传感器(即，图3中的实施例中两个或三个)中连续的检测到，则多压电装置可构造成将其转译为手指扫过。具体而言，通过使用多压电装置中的五个压电传感器，扫过可从上到下、从下到上、从左到右、从右到左和沿所有四个方向成对对角来检测。当已经检测到扫过时，多压电装置使用压电装置50,60,70，其可(但不一定)需要一个传感器来在上覆层503中产生触觉振动。作为备选或此外，多压电装置可构造成在仅一个传感器处已经检测到使用者手指之后生成触觉振动。
[0090] 点501优选为20到50μm厚，且具有2到5mm的直径。点501可通过两层漆(最简单的是用作膜包装中的绝缘层的丝网印刷漆)或四层银的丝网印刷来产生。点501可如图6中所示那样定位，即，在上导电片材502下方，或在上导电箔片502的相对侧上，即，在其顶部上。如果点501位于上导电片材502下方，则其必须为导电的，但如果点501位于上导电片材502顶部上，则其可为非导电的。
[0091] 我们还发现，替代点501，可使用整体结合形成在上导电片材502中的点。为了这样实施，我们利用使点可见的工具来冲压上导电片材502。
[0092] 点501的作用方式在于，其将施加到上覆层503上的压力集中(或调节)到如图6中所示的压电盘50的中心部分上。在此情况下，上导电箔片502具有用于点501的开口580(如孔)，或点501压制穿过上导电箔片502。
[0093] 在促动模式中(其中装置用于给予触觉反馈的模式)，点501将压电材料片材54的弯曲运动调节至上覆层503。上覆层503可向上(如图5中所示的作为反馈的触觉振动)或向下(如图6中所示的感测)来水平地移动。
[0094] 作为优选，从平衡位置的移动距离在两个方向上相等。移动可在大于具有刚性上覆层503的盘53面积的区域中发生，上覆层503仅固定较大区域的边缘。作为备选，当移动为由使用者压制上覆层503的表面或由压电片材经由上覆层503提供反馈引起的位于压电材料片材54的区域中的弯曲运动，则上覆层503可由粘合箔片504从其大部分表面固定到印刷电路板上30。粘合箔片504可为100到750μm厚的双面压力粘合物。上导电箔片502可为印刷到具有100到500μm的厚度的聚酯箔片上的银覆盖物（silver screen）。
[0095] 总体夹持不但通过将盘53固定到印刷电路板30上确定，而且通过由在图5中由点501调节的大面积上覆层503的固定引起的盘53经历的压缩压力确定。点501可附接到上覆层503上，或其可为上覆层503的组成部分。作为备选，如图6中所示，点501可附接在上导电箔片502与压电盘50之间。
[0096] 上覆层503可为大面积的，且可优选具有0.1到2mm的其厚度。 上覆层503优选为由塑料、铝或不锈钢制成。上覆层503和上导电箔片502可通过上覆层503与电路板之间的压缩力保持就位，尤其是如果上覆层503夹持到装置50,60,70上。作为备选或除此之外，可存在上覆层503与上导电箔片之间的附加粘合层。
[0097] 如果开口(圆形开口35、延伸臂37、环带39)在与印刷电路板30的相同制造步骤中制造，则其为显著的改善。通过这样做，我们可避免所有附加过程步骤。
[0098] 压电构件如元件58目前很便宜，且是大量市售的。此外，它们很稳健，且大部分可用构件已经优化用于在听觉蜂鸣器中使用。由于优化工作，其最佳操作性能(给定输入信号的最大输出信号)在1到10kHz的范围内。
[0099] 将盘53安装到元件58的夹具上具有两种可用最大振动能量的显著效果，但其还增大了称为共振频率的此最大输出能量的频带。
[0100] 元件58可用于与接触交互紧密相关的接触传感器和触觉反馈元件两者，以用于通过触觉指示来确认使用者的操作。这可通过施加高压(最优选的是在20到250伏特之间)交变驱动信号至此元件58来实现。可用的触觉振动的性能受限，导致任一或两种太弱的可触知或太大声的听觉反馈。当此元件58用于装置中时，由于前述原因，挑战甚至更为显著。
[0102] 在感测由使用者接触或压制上覆层503施加的接触压力的元件58的弯曲运动在几μm的范围内，且此盘的触觉反馈还由最大振幅限制，最大振幅在3到25μm的范围内。
[0103] 为了确保感测和触觉反馈两者的功能，在装置50的所有实施例中，元件58必须牢固地固定在用户界面上覆层503与印刷电路板30之间。固定引起元件58的夹持减少了触知反馈的需要的功能性，且甚至更重要的是固定的所有公差变化导致安装的压电盘的触知输出性能的显著变化。
[0104] 图7示出了压电装置的另一个实施例，其为或包括多层印刷电路板70。在图7中为了清楚已经省略了点501、上导电箔片502、上覆层503和粘合剂504，但将理解的是，多层印刷电路板70在此方面类似于图5和6中所示的装置50构造。
[0105] 多层印刷电路板70中的改善在于，现在元件58已经安装到在电路板70中产生的凹口中，电路板70包括若干导电层701,702,703,704，其间存在至少一个绝缘层711,712,713。
[0106] 在将导电层702胶合到绝缘层712上之前，凹口可通过对绝缘层711压纹或钻孔来在多层电路板中产生，绝缘层可为绝缘(环氧树脂)片材，绝缘层712胶合到导电层703上，导电层703为双导电层PCB板的一部分。
[0107] 由于凹口限定定位，故表面安装技术(SMT)或原则上任何适合的拾取和放置方法可用于利用定位过程来更有效地组装元件58，该定位过程不需要很准确。
[0108] 必须理解的是，具有至少两个导电层和至少两个相关联的绝缘层的电路板可用作印刷电路板70。则这足以除去一个位置处的最上方的导电层和下方的绝缘层，且在该位置处制备开口(参看图2和4，以及以上文本)来用于放置元件58。
[0109] 图10示出了图7的多层印刷电路板70，其具有压电元件58与多层印刷电路板70之间的电连接。电连接已经借助于导电箔片502来实现，导电箔片502有利地由具有大于盘53的直径的单独的圆形薄金属箔片构成或包括该金属箔片。此外，还可存在至少一个臂或舌片，其从导电箔片502沿径向突出，以有助于对准。更优选的是，导电箔片502具有绝缘层已经从PCB除去的区域的形状，即，除圆形部分之外，还示出至少一个延伸臂72，但较大。
[0110] 导电箔片502最有利的是在与盘53或多个盘53相同的拾取和放置过程(或SMT过程)中组装。
[0111] 导电箔片502通过在片材54的中心处的焊剂84(可使用标准焊剂)电连接到压电材料片材54上，且通过使用焊剂84连接到印刷电路板70上。软钎焊可在两个或三个位置处以比盘53的半径更大的离盘53的中心的更大径向距离(最有利的是大1到10mm)来执行。需要此距离来确保盘53振动的最小减振以用于有效触知反馈。
[0112] 用于导电箔片502或在导电箔片502中使用的金属箔片可为或者包括0.05到0.1mm厚的铝、铜或任何金属，其可用于构件与多层印刷电路板的表面安装技术组装中的拾取和放置组装和软钎焊过程。
[0113] 具有压电元件58与多层印刷电路板70之间的电连接的多层印刷电路板70最优选用作以下：
[0114] 粘合层附接在多层印刷电路板70的顶部上；
[0115] 上覆层503附接到粘合层的顶部上。
[0116] 如果需要，则上覆层可包括用于预先张紧压电元件58的其下侧上的点。
[0117] 多层印刷电路板70可以以这样一种方式组装在设备中，使得多层印刷电路板70中的压电装置引起上覆层的振动，以在被激励时用于触知/触觉反馈以及还有可听的声音。多层印刷电路板70因此可用于触知/触觉加听觉信号，这尤其诸如在多层印刷电路板70用作设备中的输入装置时有用。
[0118] 图8示出了单个图案80的另一个实施例，其可替代开口或除开口(圆形开口35、延伸臂、环带39)之外使用。现在，与开口(臂81,82)相邻的延伸部以这样一种方式突出到导电区域36中一定距离，使得舌片83留在它们之间。在图8的实例中，存在呈现出的三个此类舌片83，但很明显，它们的数目可从一个变到很多。
[0119] 在图9中的截面IX-IX中还可看到的构想为一个或多个舌片83用于将元件58附接到图案80上，且所以附接到印刷电路板30上(或附接到多层印刷电路板上，尤其是如图7中所示)。
[0120] 一个或多个舌片83提供实际的固定点。固定材料84在其到达盘53下方至将与压电材料片材54重叠的此位置之前停止。例如，如果在三个舌片83处的单个点处执行固定，则舌片83的使用可显著地减小如上文所述的夹持效果。舌片最优选2mm宽和3mm长。
[0122] 具体而言，元件58在以上实例中已经公开为包括压电材料片材54。然而，有可能实施具有一个以上的压电材料片材的元件58。具体而言，其可实施为具有压电材料和用作电极的导电材料的交错层的多层压电元件。
[0123] 在以上实例中，元件58组装或安装在其上或元件58保持就位的位置的电路板已经公开为印刷电路板。替代印刷电路板，元件58可组装在导电箔片(对应于导电层51)上，且然后组装在最有利的是为刚性的板上。然后，上导电层502和上覆层503组装(利用在导电层502与上覆层503之间的可选的粘合物层)。
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