DD200342B1

DD200342B1 - PIEZOELECTRIC SOUND TRANSFORMER

Info

Publication number: DD200342B1
Application number: DD23330081A
Authority: DD
Inventors: Gert Kaszynski
Original assignee: Gert Kaszynski
Priority date: 1981-09-15
Filing date: 1981-09-15
Publication date: 1990-08-29
Also published as: DD200342A1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Schallwandler mit einer biegesteifen Platte als Membran, der besonders für den Einsatz in Fernsprechapparaten und allgemein als Ruforgan vorgesehen ist.The invention relates to a piezoelectric transducer with a rigid plate as a membrane, which is particularly intended for use in telephone sets and generally as Rufgan.

Der Übertragungsbereich für derartige Wandler liegt zwischen 0,3 und 4 kHz. Zur Erzielung guter Übertragungseigenschaften, wie großer Übertragungsfaktor und damit großer Nutz-Stör-Signalabstand, ist es erforderlich, daß die Übertragungskurve im Übertragungsbereich mindestens konstant ist beziehungsweise ansteigt und die Eigenfrequenz des Schwingsystems innerhalb des Übertragungsbereiches liegt.The transmission range for such converters is between 0.3 and 4 kHz. To achieve good transmission characteristics, such as large transmission factor and thus large useful-interference signal spacing, it is necessary that the transmission curve in the transmission range is at least constant or increases and the natural frequency of the vibration system is within the transmission range.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Es ist ein Wandler zur Umwandlung von akustischen Schwingungen in elektrische Schwingungen und umgekehrt in Form einer Schwingplatte mit mindestens einer Schicht aus piezoelektrischem Material bekannt (DE-OS 1948933, H04r-17/00), bei dem die Schwingplatte einerseits durch einen Stift zentral unterstützt und andererseits durch eine straff gespannte Folie völlig umklemmt wird. Der Stift ist Teil eines zylinderförmigen Gehäuses und ragt in ein Loch in der Schwingplatte. An den Stift ist eine Schulter angeformt, auf der die Schwingplatte aufliegt. Das Gehäuse weist einen Rand auf, dessen Durchmesser etwas größer ist als der der zylindrisch gleichförmig ausgebildeten Schwingplatte. Ein mit wenig Passung das Gehäuse umschließender Ring klemmt die Folie am Gehäuse fest.It is a transducer for converting acoustic vibrations into electrical vibrations and vice versa in the form of a vibrating plate with at least one layer of piezoelectric material known (DE-OS 1948933, H04r-17/00), in which the vibrating plate on the one hand centrally supported by a pin and on the other hand is completely clamped by a tightly stretched film. The pin is part of a cylindrical housing and protrudes into a hole in the swing plate. On the pin a shoulder is formed, on which rests the vibrating plate. The housing has an edge whose diameter is slightly larger than that of the cylindrical uniformly shaped vibration plate. A little enclosing the housing enclosing ring clamps the film to the housing.

Lötverbindungen mit den Elektroden des Wandlers werden hergestellt, indem mit dem Lötkolben ein Loch in die Folie gebrannt wird. Das erfordert hohe Sorgfalt und ist arbeitsaufwendig. Auf die Lösung treffen die Bedingungen für die statische Auslenkung einer gespannten Membran zu, vgl. Skudrzyk, E. „Die Grundlagen der Akustik", Springer Verlag 1954, S.331. Danach ist die Auslenkung der Folie am Auflagerand gleich Null und vergrößert sich nur geringfügig mitzunehmendem Abstand vom Auflagerand, zumal im Zentrum nochmals eine Unterstützung ist. Hinzu kommt, daß die freie Membranfläche infolge der anliegenden Schwingplatte sehr klein ist. Die Scharnierwirkung am Rande ist daher äußerst gering. Entsprechend gering ist auch die Empfindlichkeit. Ein weiterer Nachteil ist, daß die Membranauslenkung entsprechend der Lagerung orthogonal entgegengesetzt ungleich ist, wodurch nichtlineare Verzerrungen bedingt sind.Solder joints with the electrodes of the transducer are made by burning a hole in the foil with the soldering iron. This requires great care and is laborious. The conditions for the static deflection of a strained membrane apply to the solution, cf. Skudrzyk, E. "The Fundamentals of Acoustics", Springer Verlag 1954, p.331 According to this, the deflection of the foil at the support edge is equal to zero and increases only slightly with increasing distance from the support edge, especially since there is support in the center. The hinge effect at the edge is therefore extremely low, and the sensitivity is correspondingly low, and a further disadvantage is that the diaphragm deflection is orthogonally opposite in relation to the bearing, which results in nonlinear distortions.

Diese Lösung ist demzufolge für den Betrieb als Schallsender nicht einsetzbar, da hierfür eine große Amplitude und eine große schallabstrahlende Membranfläche erforderlich sind. Das Einbringen eines Loches in die keramische Schwingplatte dürfte technologisch problematisch sein. Da die Schwingplatte einerseits auf einer planen Fläche- angeformte Schulter- aufliegt und andererseits durch eine plane Folie dagegen gedrückt wird, besteht bei Parallelitätsabweichungen auf Grund üblicher Toleranzen die Gefahr der Verkantung, wodurch die Wandlereigenschaften noch weiter verschlechtert werden. Bei einem anderen bekannten elektroakustischen Wandler (DE-OS 2831 326, H 04 R-7/18) ist gleichfalls auf einer Wandlerplatte eine Schicht aus Piezokeramik aufgeklebt. Die Wandlerplatte ist zwischen zwei Lagerkörpern in Form ringförmiger Scheiben aus elastischem Material eingespannt. Die ringförmigen Scheiben sind am inneren/äußeren Umfang mit einer ringförmigen Schneide und am äußeren/inneren Umfang mit einzelnen punktförmigen Erhebungen versehen. Diese Lösung ist aufwendig unnd läßt verhältnismäßig große Streuungen der akustischen Kenndaten zu.Consequently, this solution can not be used for operation as a sound transmitter, since a large amplitude and a large sound-radiating membrane surface are required for this purpose. The introduction of a hole in the ceramic vibrating plate should be technologically problematic. Since the oscillating plate on the one hand rests on a flat surface-integrally formed shoulder and on the other hand is pressed by a flat foil against it, parallelism deviations due to usual tolerances the risk of tilting, whereby the transducer properties are further deteriorated. In another known electroacoustic transducer (DE-OS 2831 326, H 04 R-7/18) a layer of piezoceramic is also glued on a transducer plate. The transducer plate is clamped between two bearing bodies in the form of annular discs made of elastic material. The annular discs are provided at the inner / outer periphery with an annular cutting edge and at the outer / inner periphery with individual punctiform elevations. This solution is complicated and allows relatively large variations of the acoustic characteristics.

Es ist auch bekannt (DE-OS 2831402, H 04 R -7/18), an die Wandlerplatte einen ringförmigen Lagerkörper anzuformen, der über dei Abmessungen der Wandlerplatte hinausragt, wobei mindestens teilweise der die Wandlerplatte überragende Bereich zwischen Teilen des Wandlergehäuses eingespannt ist. Der Lagerkörper ist als ebener elastischer Ring ausgebildet und mit der Wandlerplatte verklebt. Die Lagerung ist infolge der Ringeinspannung und der notwendigen Festigkeit des Lagerkörpers selbst noch relativ hart, wodurch die Steifigkeit erhöht und der Übertragungsfaktor gesenkt werden.It is also known (DE-OS 2831402, H 04 R -7/18), to form the transducer plate an annular bearing body, which projects beyond the dimensions of the transducer plate, wherein at least partially the converter plate projecting portion is clamped between parts of the transducer housing. The bearing body is formed as a flat elastic ring and glued to the transducer plate. The storage is still relatively hard due to the Ringeinspannung and the necessary strength of the bearing body itself, whereby the stiffness increases and the transmission factor can be reduced.

Schließlich ist noch ein elektroakustischer Wandler bekannt (DE-AS 2433549, H 04R-17/00), bei dem außer der an sich bekannten äußeren Einspannung der Membran zusätzlich das Zentrum der Membran mit der daran befestigten Piezoscheibe über einen Stiel, dessen Durchmesser wesentlich geringer ist als der Durchmesser der Piezoscheibe, mit einer Masse verbunden ist, die ein Vielfaches der Masse der Membran und der Piezoscheibe beträgt. Durch die Kopplung mit der größeren Masse erfolgt zwar eine Herabsetzung der Eigenfrequenz des Schwingsystems, die Steifigkeit der Membran samt Piezoscheibe bleibt jedoch unverändert hoch und damit der Übertragungsfaktor entsprechend niedrig.Finally, an electro-acoustic transducer is known (DE-AS 2433549, H 04R-17/00), in addition to the known per se outer clamping of the membrane in addition the center of the membrane with the attached piezoelectric disk on a stem whose diameter is much lower is as the diameter of the piezo disc, connected to a mass which is a multiple of the mass of the diaphragm and the piezo disc. By coupling with the larger mass, although a reduction of the natural frequency of the vibration system, the stiffness of the membrane and piezoelectric disc is still high and thus the transmission factor correspondingly low.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Es werden eine Verbesserung der Übertragungseigenschaften und eine Vergrößerung des Einsatzbereiches piezoelektrischer Schallwandler mit biegesteifer Membran bei einfachem Aufbau angestrebt.An improvement in the transmission properties and an increase in the range of application of piezoelectric transducers with a rigid membrane with a simple construction are sought.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Schallwandler mit biegesteifer Platte als Membran zu schaffen, dessen Eigenfrequenz unter und deren Übertragungsfaktor und Nutz-Stör-Signalabstand wesentlich über der/dem der bisherigen Wandler liegt, ohne daß Änderungen am Membranaufbau und der Anbringung der piezoelektrischen Schicht/en erforderlich sind. Der Aufbau soll einfach sein, insbesondere soll bei der Kontaktierung für die piezoelektrischen Schichten auf Lötvorgänge verzichtet werden. Mechanische Toleranzen sollen auf die akustischen Kenndaten geringen Einfluß haben.The invention has for its object to provide a piezoelectric transducer with rigid plate as a membrane whose natural frequency below and their transmission factor and Nutz-Stör signal distance is substantially higher than the / the previous converter, without any changes in the membrane structure and the attachment of the piezoelectric Layer / s are required. The structure should be simple, in particular should be dispensed with the soldering processes in the contacting for the piezoelectric layers. Mechanical tolerances should have little influence on the acoustic characteristics.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Platte in ihrem Zentrum zwischen zwei Säulen eingespannt ist, die zugleich als Kontakte ausgebildet sind und weiterhin ist die Platte an ihrem Rande zum Wandlergehäuse hin lediglich mit einem gelenkigen akustischen Verschluß versehen, der einen akustischen Kurzschluß zwischen Membranvorder- und -rückseite verhindert.According to the invention, this object is achieved in that the plate is clamped in its center between two columns, which are also formed as contacts and further the plate is provided at its edge to the transducer housing out only with a hinged acoustic shutter, which provides an acoustic short circuit between the front membrane - and back prevented.

Auf Grund dieser Anordnung kann die Platte an ihrem Rand mit großer Amplitude frei schwingen. Das ist besonders vorteilhaft beim Betrieb als Schallgeber. Die Eigenfrequenz einer mittig gelagerten und am Rande frei schwingenden Platte verringert sich infolge geringerer Steife auf das 0,4fache der eingangs genannten Lösungen. Das ist eine seit langem bekannte aber bisher unbeachtet gebliebene Erkenntnis, vgl. H. P. Olson „Elements of acoustical engineering", D. van Nostrand Comp., inc., 1952 Toronto, New York, London, S. 58 bis 62. Bei Verwendung desselben Membranaufbaus ist auf diese Weise eine Steigerung des Übertragungsfaktors auf das 6fache und des Nutz-Stör-Signalabstandes um 16dB möglich.Due to this arrangement, the plate can vibrate freely at its edge with large amplitude. This is particularly advantageous when operating as a sounder. The natural frequency of a centrally mounted and freely oscillating at the edge plate decreases due to less stiff to 0.4 times the solutions mentioned above. This is a long-known but hitherto unnoticed knowledge, cf. HP Olson "Elements of Acoustical Engineering", D. van Nostrand Comp., Inc., 1952 Toronto, New York, London, pp. 58-62. Using the same membrane structure, this provides an increase in the transmission factor to 6 times that of the Useful-interference signal distance around 16dB possible.

Gegenüber der elastischen Randlagerung wird die Steifigkeit auf das ungefähr 0,6fache gesenkt und der Übertragungsfaktor annähernd auf das 1,7fache erhöht, wodurch der Nutz-Stör-Signalabstand um ungefähr 5dB steigt.Compared to the elastic edge bearing, the stiffness is reduced to approximately 0.6 times and the transmission factor increased approximately 1.7 times, which increases the useful-to-noise signal spacing by approximately 5 dB.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der erfinderischen Lösung ist der Durchmesser der Säulen im Plattenbereich kleiner als das 0,2fache des Durchmessers der Platte.In an expedient embodiment of the inventive solution, the diameter of the columns in the plate area is less than 0.2 times the diameter of the plate.

Vorzugsweise ist eine Säule federnd und die andere Säule starr gelagert, wodurch Toleranzprobleme bezüglich Plattendicke und Planparallelität der sich berührenden Flächen weitestgehend vermieden werden.Preferably, one column is resilient and the other column is rigidly mounted, whereby tolerance problems with respect to plate thickness and plane parallelism of the contacting surfaces are largely avoided.

Der Effekt wird noch gesteigert, wenn die eine Säule an ihrem der Platte zugewandten Ende konvex und die andere Säule an ihrem der Platte zugewandten Ende plan ist. Auf diese Weise ist ein Verkanten der Platte auf der planen Unterlage ausgeschlossen.The effect is further enhanced when the one pillar at its end facing the plate is convex and the other pillar at its end facing the plate is flat. In this way, tilting of the plate on the flat surface is excluded.

Da die Säulen zugleich als Kontakte ausgebildet sind, wird in denkbar einfacher Weise zugleich eine Kontaktierung der Platte erreicht und zusätzliche Teile sowie Lötarbeiten dafür entfallen. Zu diesem Zweck bestehen die Säulen entweder vollständig aus Kontaktwerkstoff oder aus entsprechend galvanisch beschichtetem Plast. Voraussetzung ist in diesem Fall, daß die Platte aus Metall besteht. In der Regel wird bereits Aluminium-, Messing- oder Neusilberfolie eingesetzt. Der akustische Verschluß ist ausreichend gelenkig, wenn die Auslenkung der Platte an ihrem Rande durch ihn nicht behindert wird, gleichbedeutend, seine Steifigkeit muß um ein Vielfaches kleiner sein als die der Platte.Since the columns are also formed as contacts, a contacting of the plate is achieved in the simplest possible way at the same time and account for additional parts and soldering for it. For this purpose, the columns consist either completely of contact material or of correspondingly electroplated plastic. The prerequisite in this case is that the plate is made of metal. As a rule, aluminum, brass or nickel silver foil is already being used. The acoustic shutter is sufficiently articulated, if the deflection of the plate at its edge is not hindered by him, synonymous, its rigidity must be many times smaller than that of the plate.

Als gelenkiger akustischer Verschluß ist ein elastischer Schaumstoff vorgesehen.As a hinged acoustic closure an elastic foam is provided.

Eine andere Variante sieht vor, als gelenkigen akustischen Wandler eine dünne gesickte biegeweiche Plastmembran einzusetzen, die einerseits mittels Klebstoffes, vorzugsweise Heißschmelzklebstoff, an der Platte befestigt und andererseits zwischen den Gehäusehälften des Wandlergehäuses - bei geteiltem Wandlergehäuse - eingeklemmt ist.Another variant provides to use as a hinged acoustic transducer, a thin, plastic-soft flexed membrane, on the one hand by means of adhesive, preferably hot melt adhesive attached to the plate and on the other hand between the housing halves of the transducer housing - with split transducer housing - is clamped.

Die vorgeschlagene Gesamtanordnung gestattet zum einen den Verzicht auf eine zentrische Bohrung in der Platte und zum anderen eine automatische Herstellung in Stapelbauweise.The proposed overall arrangement allows for a waiver of a central hole in the plate and on the other hand, an automatic production in stack construction.

Claims

1. Piezoelectric transducer with a rigid plate as a membrane housed centrally supported in a transducer housing and disposed on the at least one piezoelectric layer, in particular as a sound transducer for telephone sets and generally as Rufgan, characterized in that the plate (1) in its center between two columns (8,9), which are also formed as contacts (10,11), clamped and at its edge to the transducer housing (3) out only with a hinged acoustic shutter (4) is provided.

2. Piezoelectric transducer according to claim 1, characterized in that the diameter of the columns (8,9) in the plate region is smaller than 0.2 times the diameter of the plate (1).

3. Piezoelectric transducer according to claim 1, characterized in that a column (8) is resilient and the other column (9) is mounted rigidly.

4. Piezoelectric transducer according to claim 1, characterized in that the one column (8) at its Platted) facing the end convex and the other column (9) at its plate (1) facing the end is flat.

5. Piezoelectric transducer according to claim 1, characterized in that as an articulated acoustic closure (4) an elastic foam ring is provided.

6. Piezoelectric transducer according to claim 1, characterized in that as articulated acoustic closure (4) is provided a thin, pliable flexible plastic membrane, on the one hand by means of adhesive, preferably hot melt adhesive, attached to the plate (1) and on the other hand between the housing halves (6 , 7) of the converter housing (3) is clamped.