DE10042185B4

DE10042185B4 - Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler

Info

Publication number: DE10042185B4
Application number: DE10042185A
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Takeshima; Takeshi Kishimoto; Takashi Yamamoto; Kazuaki Hamada
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2000-07-10
Filing date: 2000-08-28
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2020-08-29
Also published as: US6969942B2; US6741710B1; CN1163105C; US20040183407A1; CN1332595A; DE10042185A1

Abstract

Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler, welcher folgendes umfaßt:
einen Schichtkörper aus piezoelektrischen Keramikschichten, wobei zwischen zwei benachbarten piezoelektrischen Keramikschichten jeweils eine innere Elektrode ausgebildet ist und die Keramikschichten in derselben Richtung in Bezug auf die Dickenrichtung des Schichtkörpers polarisiert sind; und
Hauptflächenelektroden, die jeweils auf der Oberseite und der Unterseite des Schichtkörpers ausgebildet sind, wobei der Schichtkörper in seiner Gesamtheit in eine Biegeschwingung versetzbar ist, indem eine Wechselspannung über die Hauptflächenelektroden und die inneren Elektroden angelegt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Schichtkörper (50, 50') drei Keramikschichten (51, 52, 53) umfaßt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler wie zum Beispiel einen piezoelektrischen Empfänger, piezoelektrischen Schallgeber, piezoelektrischen Lautsprecher und piezoelektrischen Summer, und insbesondere den Aufbau der Membran eines piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers.

Bisher wird ein piezoelektrischer elektroakustischer Wandler häufig verwendet bei einem piezoelektrischen Empfänger, piezoelektrischen Summer oder dergleichen. Dieser piezoelektrische elektroakustische Wandler weist normalerweise einen Aufbau auf, bei dem eine Membran unimorphen Typs dadurch hergestellt wird, daß eine kreisrunde Metallplatte auf eine Oberfläche einer kreisrunden piezoelektrischen Keramikplatte geklebt wird, bei dem der äußere Umfangsabschnitt der Membran in einem kreisrunden Behältnis gelagert ist, und bei dem eine Öffnung des Behältnisses durch eine Abdeckung verschlossen ist. Da die Membran unimorphen Typs jedoch in eine Biegeschwingung versetzt werden kann, indem eine Keramikplatte, deren Außendurchmesser sich ausdehnt und zusammenzieht, auf eine Metallplatte geklebt wird, deren Größe sich beim Anlegen einer Spannung daran nicht ändert, hat die Membran unimorphen Typs den Nachteil, daß ihr Schwingweg, d.h. ihr Schalldruck, klein ist.

Die Japanische Offenlegungsschrift Nr. 61-205100 offenbart daher eine Membran bimorphen Typs mit einer Schichtstruktur, die aus einer Vielzahl von piezoelektrischen Keramikschichten besteht. Bei dieser Membran wird ein Sinterkörper verwendet, den man erhält, indem eine Vielzahl von grünen Keramikschichten und eine Vielzahl von Elektroden laminiert und dann gleichzeitig gebrannt werden. Diese Elektroden der Membran sind über Durchgangslöcher, die an den Stellen ausgebildet sind, die die Schwingung der Membran nicht einschränken, elektrisch miteinander verbunden. Indem die bimorphe Membran so konstruiert wird, daß in Dickenrichtung nacheinander angeordnete erste und zweite Schwingungsbereiche in einander entgegengesetzte Richtungen schwingen, kann ein größerer Schwingweg, d.h. ein größerer Schalldruck als bei einer unimorphen Membran erzielt werden.

Um jedoch bei der oben beschriebenen bimorphen Membran die beispielsweise drei Keramikschichten umfassende Membran in eine Biegeschwingung zu versetzen, muß eine Hauptflächenelektrode über ein Durchgangsloch mit einer inneren Elektrode verbunden werden, muß die andere Hauptflächenelektrode über ein Durchgangsloch mit der anderen inneren Elektrode verbunden werden, und muß ferner zwischen jeder der Hauptflächenelektroden und einer entsprechenden inneren Elektrode eine Wechselspannung angelegt werden, wie in 17 der oben beschriebenen Patentanmeldung dargestellt ist. Dies erfordert eine komplizierte Verbindung zwischen Hauptflächenelektroden und inneren Elektroden und kann dadurch zu hohen Kosten führen.

Wenn an dem Schichtkörper eine Polarisierung vorgenommen wird, muß außerdem zwischen einer inneren Elektrode und den oberen und unteren Hauptflächenelektroden eine Spannung angelegt werden. Bei einer Membran mit einem dreilagigen Aufbau, wie in 14 der oben beschriebenen Patentanmeldung gezeigt, werden beispielsweise zwei mit einer inneren Elektrode elektrisch verbundene Durchgangslöcher mit einer Anschlußelektrode verbunden, und die Polarisierung erfolgt durch Anlegen einer hohen Spannung zwischen der Anschlußelektrode und den oberen und unteren Hauptflächenelektroden. Die herkömmliche bimorphe Membran hat somit den Nachteil, daß bei ihr die innere Elektrode über Durchgangslöcher herausgezogen werden muß, um die Polarisierung durchführen zu können, was einen komplizierten Vorgang wie die Bildung der Anschlußelektrode erfordert.

Ein piezoelektrischer elektroakustischer Wandler mit den Merkmalen des Oberbegriffes der unabhängigen Ansprüche ist aus DE 31 46 986 A1 bekannt.

Die vorliegende Erfindung soll einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler bereitstellen, bei dem die Verbindung zwischen den Hauptflächenelektroden und den inneren Elektroden nicht mehr notwendig ist, und der mit einem einfachen Verbindungsaufbau eine bimorphe Membran bilden kann, und einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler bereitstellen, bei dem das Polarisationsverfahren leicht vorgenommen werden kann.

Dies wird mit einem piezoelektrischen elektroakustischen Wandler mit den Merkmalen des Anspruches 1, den Merkmalen des Anspruches 5, den Merkmalen des Anspruches 6, den Merkmalen des Anspruches 7 oder den Merkmalen des Anspruches 8 gelöst. Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen gerichtet.

Wenn bei dem Schichtkörper gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen den Hauptflächenelektroden und der inneren Elektrode eine Wechselspannung angelegt wird, sind die Richtungen des auf der Ober- und Unterseite einer Keramikschicht entstehenden elektrischen Feldes einander in bezug auf die Dickenrichtung entgegengesetzt. Die Polarisationsrichtung jeder Keramikschicht ist dagegen in bezug auf die Dickenrichtung dieselbe. Wenn die Polarisationsrichtung und die Richtung des elektrischen Feldes dieselbe sind, zieht sich die Keramikschicht in der Richtung der Ebene zusammen, während dann, wenn die Polarisationsrichtung und die Richtung des elektrischen Feldes einander entgegengesetzt sind, die Keramikschicht sich in der Richtung der Ebene ausdehnt. Beim Anlegen einer Wechselspannung in der oben beschriebenen Weise zieht sich die untere Keramikschicht zusammen, wenn sich die obere Keramikschicht ausdehnt, was dazu führt, daß der Schichtkörper in seiner Gesamtheit in eine Biegeschwingung versetzt wird. Da der von dieser Membran beschriebene Schwingweg größer ist als der von einer unimorphen Membran beschriebene, ist auch der von dieser Membran erzeugte Schalldruck höher.

Da bei der vorliegenden Erfindung die Biegeschwingung durch Verbinden der oberen und unteren Hauptflächenelektroden und Anlegen einer Wechselspannung über die Hauptflächenelektroden und die inneren Elektroden erzeugt werden kann, ist im Gegensatz zu herkömmlichen Membranen keine komplizierte Verbindung zwischen den Hauptflächenelektroden und den inneren Elektroden notwendig. Dies führt zu einer Vereinfachung des Aufbaus und einer Verringerung der Bearbeitungskosten.

Gemäß der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die innere Elektrode vorzugsweise mit einer auf einer Stirnfläche des Schichtkörpers ausgebildeten Stirnflächenelektrode verbunden, und eine Wechselspannung wird über die Stirnflächenelektrode und die zwei Hauptflächenelektroden angelegt. In diesem Fall ist eine zusätzliche Bearbeitung wie die Ausbildung von Durchgangslöchern nicht notwendig.

Ferner beträgt bei einem Schichtkörper der vorliegenden Erfindung mit drei Keramikschichten die Dicke einer mittleren Keramikschicht vorzugsweise zwischen 50 % und 80 % der Gesamtdicke des Schichtkörpers. Um den Schalldruck zu erhöhen, kann die Zahl der Schichten des Schichtkörpers erhöht werden, aber wenn die Dicke des Schichtkörpers wegen der Resonanzfrequenz festgelegt ist, kann die Zahl der Schichten nicht frei erhöht werden.

Da bei einem dreilagigen Schichtkörper kein Potentialunterschied zwischen den beiden inneren Elektroden besteht, trägt die mittlere Schicht nicht zu einer Biegeschwingung bei, und nur die obere und untere Keramikschicht schwingt in einem Biegemodus. Je dünner die Keramikschicht, um so größer ist ihr Schwingweg. Wenn also die Gesamtdicke des Schichtkörpers auf einen konstanten wert eingestellt ist, und die Dicke der mittleren Schicht größer eingestellt ist als die der oberen und unteren Keramikschicht, wird die Dicke der zu einer Biegeschwingung beitragenden oberen und unteren Keramikschicht relativ dünn, was zu einem großen Schwingweg führt. Wenn die mittlere Keramikschicht zu dick wird, werden jedoch die obere und untere Keramikschicht zu dünn, was ihre Festigkeit verringert und dazu führt, daß man keinen großen Schwingweg erhält. Daher kann ein größerer Schalldruck erzielt werden, wenn die Dicke der mittleren Schicht auf 50 bis 80 Prozent der Gesamtdicke des Schichtkörpers eingestellt wird.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Schichtkörper vorzugsweise von einem Sinterkörper gebildet, der dadurch entsteht, daß zwei oder drei Keramikschichten über einen Elektrodenfilm laminiert werden und die laminierten Grünschichten gleichzeitig gebrannt werden, und alle Keramikschichten werden in derselben Richtung in bezug auf die Dickenrichtung polarisiert, indem eine Spannung über die auf der Ober- und Unterseite des Schichtkörpers ausgebildeten Hauptflächenelektroden angelegt wird. Alternativ kann man den Schichtkörper dadurch erhalten, daß man eine Vielzahl von Keramikplatten, die zuvor gebrannt und polarisiert wurden, laminiert und zusammenklebt. Bei diesem Verfahren darf der Schichtkörper jedoch nicht dünn sein, was zu einem niedrigen Schalldruck führt. Wenn dagegen Keramikschichten über einen Elektrodenfilm laminiert und gleichzeitig die laminierten Keramikschichten gebrannt werden, darf ein Schichtkörper sehr dünn sein, was zu einem hohen Schalldruck führt. Da außerdem die Polarisationsrichtung jeder Keramikschicht des Schichtkörpers dieselbe ist, erfordert das Polarisationsverfahren im Gegensatz zu dem herkömmlichen Verfahren nicht das Anlegen einer Spannung über die inneren Elektroden und die Hauptflächenelektroden. Das heißt, die Polarisation kann erzielt werden, indem nur eine Spannung über die oberen und unteren Hauptflächenelektroden angelegt wird, was das Polarisationsverfahren in hohem Maße vereinfacht.

Wenn der Schichtkörper in einem Gehäuse untergebracht wird, und wenn er als Resonanzkörper wie zum Beispiel ein piezoelektrischer Empfänger oder piezoelektrischer Schallgeber verwendet wird, kann der Schichtkörper z. B. einen Aufbau gemäß folgenden Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung haben.

Wenn die vorliegende Erfindung auf einen piezoelektrischen Empfänger angewandt wird, wird der Schichtkörper in einem anderen Frequenzbereich als dem Resonanzfrequenzbereich verwendet, um auf einen weiten Bereich von Frequenzen anzusprechen. Der Schichtkörper hat daher einen Aufbau, bei dem nur die beiden gegenüberliegenden Seiten des Schichtkörpers in einem Behältnis gelagert sind, und bei dem die beiden anderen Seiten durch ein elastisches Dichtungsmittel verschieblich abgedichtet sind, so daß der Schwingweg erzielt werden kann, wenngleich die Schwingungsenergie des Schichtkörpers relativ klein ist.

Wenn die vorliegende Erfindung dagegen auf einen piezoelektrischen Schallgeber angewandt wird, wird der Schichtkörper in einem Resonanzfrequenzbereich verwendet, um bei einer einzigen Frequenz auf einen lauten Schall anzusprechen. Damit die Schwingungsenergie des Schichtkörpers sehr groß wird, hat der Schichtkörper in diesem Fall einen Aufbau, bei dem alle vier Seiten des Schichtkörpers in einem Behältnis gelagert sind.

In jedem Fall können die Hauptflächenelektroden und die inneren Elektroden des Schichtkörpers ohne Zuhilfenahme von Anschlußdrähten aus dem Gehäuse herausgezogen werden, und daher können beide Formen als oberflächenmontierbares Bauelement konstruiert werden.

Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Querschnittsansicht des piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers gemäß 1.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer in dem piezoelektrischen elektroakustischen Wandler gemäß 1 verwendeten Membran.
4 ist eine Querschnittsansicht der Membran gemäß 3.
5 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Querschnittsansicht des piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers gemäß 5.
7 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, betrachtet von der Rückseite desselben aus.
8 ist eine Querschnittsansicht des piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers gemäß 7.
9 ist eine perspektivische Ansicht einer in dem piezoelektrischen elektroakustischen Wandler gemäß 7 verwendeten Membran.
10 ist eine Querschnittsansicht der Membran gemäß 9.
11 ist eine Querschnittsansicht der Membran gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine Querschnittsansicht der Membran gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 ist eine Querschnittsansicht der Membran gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14 ist eine charakteristische Ansicht der Beziehung zwischen der Dicke der mittleren Schicht des piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers, bei dem die Membran gemäß 13 verwendet wird, und dem Schalldruck.
15 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
16 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers gemäß 15.
17 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie A-A in 15.
18 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
19 ist eine perspektivische Ansicht des piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
20 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers gemäß 19.
21 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie B-B in 19.
22 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
23 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers gemäß einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1 und 2 zeigen einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieser piezoelektrische elektroakustische Wandler umfaßt eine scheibenförmige Membran (Schichtkörper) 1, ein kreisrundes Behältnis 10 mit der Membran 1, und eine untere Abdeckung 11. Eine schallabstrahlende Öffnung 12 ist auf der Oberseite des Behältnisses 10 ausgebildet, und die untere Abdeckung 11 ist auf eine Öffnung in der Unterseite des Behältnisses 10 geklebt. Äußere Anschlußklemmen 13 und 14 sind an symmetrischen Positionen am Außenumfang des Behältnisses ausgebildet und durch Einlegeformteile oder dergleichen befestigt. Ein Teil jeder Klemme 13 und 14 liegt zum Inneren des Behältnisses 10 hin frei. Die Elektrode der Membran 1 ist mit den innen freiliegenden Abschnitten der Klemmen 13 und 14 durch leitende Kleber 15 bzw. 16 elektrisch verbunden. Die zwischen dem Behältnis 10 und dem Außenumfang der Membran 1 ausgebildeten und mit den leitenden Klebern 15 und 16 beschichteten Zwischenräume sind durch ein elastisches Dichtungsmittel wie zum Beispiel Siliconkautschuk (nicht dargestellt) abgedichtet.
Gemäß 3 und 4 wird die Membran 1 hergestellt durch Laminieren von zwei piezoelektrischen Keramikschichten 2 und 3, die aus Bleizirconattitanat oder dergleichen bestehen. Die Hauptflächen 4 und 5 sind auf der Ober- und Unterseite der Membran 1 ausgebildet, und eine innere Elektrode 6 ist zwischen den Keramikschichten 2 und 3 ausgebildet. Die beiden Keramikschichten 2 und 3 sind in derselben Richtung in bezug auf die Dickenrichtung polarisiert, wie durch den fettgedruckten Pfeil in 4 dargestellt.
In dieser Ausführungsform sind die oberen und unteren Hauptflächenelektroden 4 und 5 in einer kreisrunden Form ausgebildet, deren Durchmesser etwas kleiner ist als der der Membran 1. Die Auszugselektroden 4a und 5a werden aus den je weiligen Elektroden 4 und 5 bis zum äußeren Umfangsrand der Membran 1 herausgezogen. Die innere Elektrode 6 ist so ausgebildet, daß sie eine zur Form der oberen und unteren Hauptflächenelektrode 4 und 5 im wesentlichen symmetrische Form besitzt. Eine Auszugselektrode 6a der inneren Elektrode 6 wird bis zu einer Position herausgezogen, mit der die Auszugselektroden 4a und 5a symmetrisch sind, und mit einer an einer Stirnfläche der Membran 1 vorgesehenen Stirnflächenelektrode 7 verbunden. Teile der Stirnflächenelektrode 7 werden bis zur Ober- und Unterseite der Membran herausgezogen. Die herausgezogenen Elektroden 4a und 5a werden über den leitenden Kleber 15 mit der Klemme 13 verbunden, und die Stirnflächenelektrode 7 wird über den leitenden Kleber 16 mit der Klemme 14 verbunden. Durch Anlegen einer Wechselspannung zwischen den Klemmen 13 und 14 kann die Membran 1 in einem Biegemodus schwingen.
Wenn zum Beispiel eine negative Spannung an die eine Klemme 13 und eine positive Spannung an die andere Klemme 14 angelegt wird, werden elektrische Felder in den mit den dünnen Pfeilen in 4 dargestellten Richtungen erzeugt. Wenn die Polarisationsrichtung und die Richtung des elektrischen Feldes gleich sind, ziehen sich die Keramikschichten 2 und 3 in der Richtung der Ebene zusammen, während dann, wenn die Polarisationsrichtung und die Richtung des elektrischen Feldes einander entgegengesetzt sind, die Keramikschichten 2 und 3 sich in der Richtung der Ebene ausdehnen. Daher zieht sich die Keramikschicht 2 auf der Oberseite zusammen, während sich die Keramikschicht 3 auf der Unterseite ausdehnt. Dadurch wird die Membran 1 gebogen, so daß ihr mittlerer Abschnitt nach unten konvex wird. Durch Anlegen einer Wechselspannung zwischen den Klemmen 13 und 14 wird die Membran 1 in regelmäßigen Abständen in eine Biegeschwingung versetzt, so daß ein Schall mit einem hohen Schalldruck erzeugt werden kann.
Die Membran 1 mit den oben beschriebenen Merkmalen wird nach dem folgenden Verfahren hergestellt.
Durch Drucken oder dergleichen wird ein Elektrodenfilm in einem vorbestimmten Muster auf der Oberfläche einer im Zustand eines Motherboard befindlichen grünen Keramikschicht ausgebildet, und diese grüne Keramikschicht und eine Keramikschicht, auf der sich kein Elektrodenfilm befindet, werden laminiert und verpreßt.
Als nächstes wird der Schichtkörper zu der der Form der Membran 1 entsprechenden Form ausgestanzt oder ausgeschnitten.
Dann wird der ausgestanzte oder ausgeschnittene Schichtkörper gleichzeitig zu einem Sinterkörper gebrannt.
Als nächstes werden Hauptflächenelektroden auf der oberen und unteren Hauptfläche des gesinterten Schichtkörpers ausgebildet, und durch Anlegen einer Polarisationsspannung über diese Hauptflächenelektroden werden alle den Schichtkörper bildenden Keramikschichten in derselben Richtung in bezug auf die Dickenrichtung polarisiert.
Danach werden die Stirnflächenelektroden 7 und dergleichen ausgebildet, und so erhält man die Membran 1.
Bei dem obigen Herstellungsverfahren werden nach dem Ausstanzen der sich im Zustand eines Motherboard befindlichen grünen Keramikschicht zu einzelnen Mustern die einzelnen Muster gebrannt und anschließend polarisiert. Alternativ kann jedoch die gebrannte laminierte grüne Keramikschicht nach dem Brennen im Zustand eines Motherboard polarisiert werden, und dann kann die polarisierte Schicht zu einzelnen Formen ausgeschnitten werden. In diesem Fall kann ein bekanntes Verfahren wie zum Beispiel eine Laserstrahlbearbeitung zum Ausschneiden des Sinterkörpers verwendet werden.
In 5 und 6 ist ein piezoelektrischer elektroakustischer Wandler gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei der in 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsform werden Elektroden der Membran 1 mit Hilfe der an dem Behältnis 10 befestigten Klemmen 13 und 14 herausgezogen, während bei der in 5 und 6 gezeigten zweiten Ausführungsform Anschlußdrähte 20 und 21 verwendet werden. In diesem Fall sind die Anschlußdrähte 20 und 21 über Haftmittel 22 und 23 wie zum Beispiel Lötmetall oder einen leitenden Kleber mit der unteren Hauptflächenelektrode 5 bzw. der Stirnflächenelektrode 7 verbunden. Zu diesem Zweck können die obere und untere Hauptflächenelektrode 4 und 5 über den leitenden Kleber miteinander verbunden werden. Alternativ können die Hauptflächenelektroden 4 und 5 zuvor über eine Stirnflächenelektrode miteinander verbunden werden.
In 7 und 8 ist ein piezoelektrischer elektroakustischer Wandler gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Dieser piezoelektrische elektroakustische Wandler umfaßt eine rechteckige Membran (Schichtkörper) 30, ein rechteckiges Behältnis 40 mit dieser Membran 30 und eine untere Abdeckung 41. Eine schallabstrahlende Öffnung 42 ist auf der Oberseite des Behältnisses 40 ausgebildet, und die untere Abdeckung 41 ist auf eine Öffnung in der Unterseite des Behältnisses 40 geklebt. Stufenförmige Tragelemente 42a und 42b sind auf den Innenflächen der beiden gegenüberliegenden Seiten des Behältnisses 40 ausgebildet. Die beiden kürzeren Seiten der Membran 30 werden durch Haltemittel 43a und 43b wie zum Beispiel Kleber auf diesen Tragelementen 42a und 42b gehalten. Eine Dämpfungsöffnung 48 ist in einer anderen Seitenfläche als den Seitenflächen, wo die Tragelemente 42a und 42b des Behältnisses 40 vorgesehen sind, ausgebildet. Die zwischen den beiden längeren Seiten der Membran 30 und dem Behältnis 40 ausgebil deten Zwischenräume sind mit elastischen Dichtungsmitteln 44a und 44b wie zum Beispiel Siliconkautschuk abgedichtet. Äußere Anschlußelektroden 45a und 45b sind auf der Ober- und Unterseite von beiden Enden der unteren Abdeckung 41 ausgebildet. Die Ober- und Unterseiten jeder Elektrode 45a und 45b sind über die Innenseiten der jeweiligen am Seitenrand beider Enden der unteren Abdeckung 41 ausgebildeten Durchgangslöcher 46a und 46b miteinander verbunden.
Nachdem die untere Abdeckung 41 auf die Öffnung in den Unterseiten des Behältnisses 40 geklebt wurde, werden leitende Kleber 47a und 47b durch die Durchgangslöcher 46a und 46b gegossen, wie in 8 gezeigt. Dadurch werden die äußeren Anschlußelektroden 45a und 45b und die Elektroden der Membran 30 miteinander verbunden, und das Durchgangsloch wird abgedichtet. Man erhält so den piezoelektrischen elektroakustischen Wandler.
Gemäß 9 und 10 erhält man die Membran 30 dieser Ausführungsform durch Laminieren von zwei piezoelektrischen Keramikschichten 31 und 32. Die Hauptflächenelektroden 33 und 34 werden jeweils auf der Ober- und Unterseite der Membran 30 ausgebildet, und eine innere Elektrode 35 wird zwischen den Keramikschichten 31 und 32 ausgebildet. Die beiden Keramikschichten 31 und 32 sind in derselben Richtung in bezug auf die Dickenrichtung polarisiert, wie durch den fettgedruckten Pfeil in 10 dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform sind die obere Hauptflächenelektrode 33 und die untere Hauptflächenelektrode 34 so ausgebildet, daß ihre Breite jeweils gleich der kürzeren Seite der Membran 30 ist und ihre Länge jeweils etwas kürzer ist als die längere Seite der Membran 30. Ein Ende der oberen und unteren Hauptflächenelektroden 33 und 34 ist jeweils mit einer auf der Stirnfläche der einen kürzeren Seite der Membran 30 ausgebildeten Stirnflächenelektrode 36 verbunden. Die obere und untere Hauptflächenelektrode 33 und 34 sind daher miteinander verbunden. Die innere Elektrode 35 ist so ausgebildet, daß sie eine zu den Hauptflächenelektroden 33 und 34 im wesentlichen symmetrische Form besitzt. Ein Ende der inneren Elektrode 35 ist von der Stirnflächenelektrode 36 entfernt, während das andere Ende derselben mit einer auf der Stirnfläche der anderen kürzeren Seite der Membran 30 ausgebildeten Stirnflächenelektrode 37 verbunden ist. Eine mit der Stirnflächenelektrode 37 verbundene schmale Hilfselektrode 38 ist auf der Ober- und Unterseite eines Endabschnitts auf der Seite der anderen kürzeren Seite der Membran 30 ausgebildet.
Gemäß 8 ist die Stirnflächenelektrode 36 oder die untere Hauptflächenelektrode 34 mit der äußeren Anschlußelektrode 45a über den leitenden Kleber 47a verbunden, und die Stirnflächenelektrode 37 ist über den leitenden Kleber 47b mit der Stirnflächenelektrode 45b verbunden. Durch Anlegen einer vorbestimmten Wechselspannung zwischen den äußeren Anschlußelektroden 45a und 45b kann die Membran 30 in eine Längsbiegeschwingung versetzt werden, bei der die kürzeren Seiten der Membran als Drehpunkte dienen, und bei der die maximale Amplitude im mittleren Abschnitt der Membran in Längsrichtung erreicht wird.
Da bei der kreisrunden Membran 1 in der ersten Ausführungsform die maximale Amplitude nur in ihrem mittleren Abschnitt erreicht wird, ist ihr Verdrängungsvolumen klein und ihr elektroakustischer Umwandlungswirkungsgrad ist niedrig. Da die Bewegung des Außenumfangs der Membran 1 eingeschränkt ist, ist auch ihre Schwingungsfrequenz hoch. Um eine piezoelektrische Membran mit einer niedrigen Schwingungsfrequenz zu erhalten, muß daher der Radius der Membran 1 groß sein. Da andererseits bei der rechteckigen Membran 30 in der dritten Ausführungsform die maximale Amplitude entlang ihrer Mittellinie in Längsrichtung erreicht wird, ist ihr Verdrängungsvolumen groß, und dadurch kann ein hoher elektroakustischer Um wandlungswirkungsgrad erzielt werden. Wenngleich die beiden Endabschnitte der Membran 30 in Längsrichtung fixiert sind, können ferner jene Endabschnitte der Membran 30 aufgrund der elastischen Dichtungsmittel 44a und 44b frei verschoben werden, und dadurch ergibt sich eine niedrigere Schwingungsfrequenz als bei der kreisrunden Membran. Wenn dagegen die Schwingungsfrequenz der kreisrunden Membran und die der rechteckigen Membran gleich sind, kann die rechteckige Membran kleiner sein als die kreisrunde Membran.
11 zeigt eine Membran gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Variante der in 10 gezeigten Membran ist.
In 10 ist die innere Elektrode 35 eine partielle Elektrode, aber in 11 ist die innere Elektrode 35 eine ganze Elektrode. Da sich in diesem Fall die ganze Elektrode 35 bis zu der Stirnflächenelektrode 36 erstreckt, besteht die Gefahr, daß die innere Elektrode mit der Stirnflächenelektrode 36 verbunden wird. Um diese Gefahr zu vermeiden, ist auf einer Stirnfläche einer Membran 30' eine Isolierschicht 39 ausgebildet, und dann wird die mit den Hauptflächenelektroden 33 und 34 verbundene Stirnflächenelektrode 36 auf der Isolierschicht 39 ausgebildet. Selbst wenn die innere Elektrode 35 eine ganze Elektrode ist, kann dadurch die innere Elektrode 35 zuverlässig gegen die Hauptflächenelektroden 33 und 34 isoliert werden.
12 zeigt eine Membran gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei dieser Ausführungsform erhält man die Membran 50 durch Laminieren von drei piezoelektrischen Keramikschichten 51 bis 53. Bei der Membran 50 sind Hauptflächenelektroden 54 und 55 jeweils auf der Ober- und Unterseite der Membran 50 ausgebildet, und innere Elektroden 56 und 57 sind zwischen den Kera mikschichten 51 und 52 bzw. zwischen den Keramikschichten 52 und 53 ausgebildet. Diese drei Keramikschichten sind in derselben Richtung in bezug auf die Dickenrichtung polarisiert, wie mit dem fettgedruckten Pfeil in 12 gezeigt.
Bei dieser Ausführungsform sind die Hauptflächenelektroden 54 und 55 genauso wie in 10 gezeigt so ausgebildet, daß ihre Breite jeweils gleich ist der Breite der kürzeren Seite der Membran 50 und ihre Länge jeweils etwas kürzer ist als die längere Seite der Membran 50. Ein Ende der oberen und unteren Hauptflächenelektroden 54 und 55 ist jeweils mit einer auf der Stirnfläche der einen kürzeren Seite der Membran 50 ausgebildeten Stirnflächenelektrode 58 verbunden. Die oberen und unteren Hauptflächenelektroden 54 und 55 sind daher miteinander verbunden. Ein Ende jeder inneren Elektrode 56 und 57 ist von der Stirnflächenelektrode 58 entfernt, und ihr anderes Ende ist mit einer auf der Stirnfläche der anderen kürzeren Seite der Membran 50 ausgebildeten Stirnflächenelektrode 59 verbunden. Die inneren Elektroden 56 und 57 sind daher ebenfalls miteinander verbunden.
Eine mit der Stirnflächenelektrode 59 verbundene schmale Hilfselektrode 59a ist auf der Ober- und Unterseite eines Endabschnittes auf der Seite der anderen kürzeren Seite der Membran 50 ausgebildet.
Wenn zum Beispiel eine negative Spannung und eine positive Spannung an die Stirnflächenelektroden 58 bzw. 59 angelegt werden, werden in den mit den dünnen Pfeilen in 12 dargestellten Richtungen elektrische Felder erzeugt. Da die auf den entgegengesetzten Seiten der mittleren Keramikschicht 52 angeordneten inneren Elektroden 56 und 57 das gleiche elektrische Potential besitzen, erzeugen sie dabei kein elektrisches Feld. Die obere Keramikschicht 51 zieht sich in Richtung der Ebene zusammen, da die Polarisationsrichtung und die Richtung des elektrischen Feldes der oberen Keramikschicht 51 gleich sind, während sich die untere Keramikschicht 53 in Richtung der Ebene ausdehnt, da die Polarisationsrichtung und die Richtung des elektrischen Feldes der unteren Keramikschicht 53 einander entgegengesetzt sind. Die mittlere Keramikschicht 52 dehnt sich weder aus noch zieht sie sich zusammen. Demgemäß wird die Membran 50 so gebogen, daß sie nach unten konvex ist. Durch Anlegen einer Wechselspannung zwischen den Stirnflächenelektroden 58 und 59 kann die Membran in regelmäßigen Abständen in eine Biegeschwingung versetzt und dadurch ein hoher Schalldruck erzeugt werden.
In 12 werden als innere Elektroden 56 und 57 partielle Elektroden verwendet, aber gemäß 11 können auch ganze Elektroden verwendet werden.
Das Herstellungsverfahren für die oben beschriebene Membran 50 mit dem dreilagigen Aufbau ist dasselbe wie bei der zweilagigen Membran 1 gemäß 4. Das heißt, ein Elektrodenfilm wird durch Drucken oder dergleichen zu einem vorbestimmten Muster auf der Oberfläche einer im Zustand eines Motherboard befindlichen grünen Keramikschicht geformt, und drei solcher Keramikschichten werden laminiert und verpreßt. Als nächstes wird dieser Schichtkörper in der der Membran 50 entsprechenden Form ausgestanzt oder ausgeschnitten. Dann wird der ausgestanzte oder ausgeschnittene Schichtkörper gleichzeitig zu einem mehrlagigen Sinterkörper gebrannt.
Als nächstes werden Hauptflächenelektroden 54 und 55 auf den oberen und unteren Hauptflächen des mehrlagigen Sinterkörpers ausgebildet, und durch Anlegen einer Polarisationsspannung über diese Hauptflächenelektroden werden alle den Schichtkörper bildenden Keramikschichten 51 bis 53 in derselben Richtung in bezug auf die Dickenrichtung polarisiert.
Danach werden die Stirnflächenelektroden 58 und 59 und dergleichen ausgebildet, und so erhält man die Membran 50.
Auch in diesem Fall ist keine Verbindung zwischen den inneren Elektroden 56 und 57 und den Hauptflächenelektroden 54 und 55 notwendig, wenn die Polarisation vorgenommen wird. Die Polarisation kann dadurch vorgenommen werden, daß lediglich eine Spannung über die Hauptflächenelektroden 54 und 55 angelegt wird. Dies vereinfacht den Polarisationsvorgang.
13 zeigt eine Membran gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die in 12 gezeigte Ausführungsform ist die Membran mit einem Aufbau, bei dem die Dicke aller Keramikschichten 51 bis 53 im wesentlichen dieselbe ist. Die in 13 gezeigte Ausführungsform ist dagegen die Membran mit einem Aufbau, bei dem die mittlere Keramikschicht 52 dicker ist als die Keramikschichten 51 und 53. Es ist besonders vorzuziehen, daß die Dicke der mittleren Keramikschicht 52 50 bis 80 Prozent der Gesamtdicke der Membran 50' einnimmt. Da der Aufbau der Membran 50' ansonsten derselbe ist wie der Aufbau der in 12 gezeigten Membran 50, wird hier die Beschreibung derselben weggelassen.
14 zeigt die Änderung im Schalldruck gemäß der Änderung im Dickenverhältnis der mittleren Keramikschicht 52. Die vertikale Achse stellt das Verhältnis des Schalldrucks der Membran 50' gegenüber dem der zweilagigen Membran gemäß 10 dar. Die horizontale Achse stellt das Verhältnis der Dicke der mittleren Keramikschicht 52 gegenüber der Gesamtdicke der Membran 50' dar. Die Schalldrücke der Membran 50' wurden unter den Bedingungen gemessen, in denen die Gesamtdicke der Membran 50' und die angelegte Spannung jeweils konstant sind.
Wie aus 14 hervorgeht, erhält man bei der dreilagigen Membran einen höheren Schalldruck als bei der zweilagigen Membran. Außerdem erhält man in dem Fall, wo das Dickenver hältnis zwischen 50 Prozent und 80 Prozent beträgt, einen noch höheren Schalldruck als in dem Fall, wo die Dicke jeder der drei Schichten gleich ist (d.h. wo das Dickenverhältnis 33 Prozent beträgt). Vor allem wenn das Dickenverhältnis zwischen 60 Prozent und 70 Prozent beträgt, kann man den maximalen Schalldruck erhalten, der 1,6 mal so hoch ist wie der mit der zweilagigen Membran erhaltene Schalldruck. Wenn die Zahl der Schichten begrenzt ist, kann daher der Schalldruck durch Erhöhen der Dicke der mittleren Schicht bei gleichzeitiger Minimierung der Zahl der Schichten (in diesem Beispiel 3 Schichten) bis zu seinem maximalen Wert erhöht werden.
In 15 bis 17 ist ein piezoelektrischer elektroakustischer Wandler gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, der als oberflächenmontierbarer piezoelektrischer Empfänger konstruiert ist.
Dieser piezoelektrische Empfänger umfaßt im allgemeinen eine rechteckige Membran (Schichtkörper) 30, ein rechteckiges Behältnis 60 mit dieser Membran 30, eine obere Abdeckung 68 mit einer Auslaßöffnung 69. Da die Membran 30 dieselbe ist wie die in 9 und 10 gezeigte, sind dieselben Teile wie jene in 9-10 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Das Behältnis 60 ist aus einem wärmebeständigen Harz wie zum Beispiel LCP (Flüssigkristallpolymer), SPS (syndiotaktisches Polystyrol), PPS (Polyphenylensulfid) oder Epoxidharz hergestellt. Die obere Abdeckung 68 ist aus einem wärmebeständigen Material wie zum Beispiel Flüssigkristallpolymer oder Glasepoxidharz oder aus einer Keramik hergestellt. Eine Öffnung 61 ist auf der Oberseite des Behältnisses 60 vorgesehen, und eine obere Abdeckung 68 ist auf diese Öffnung 61 in der Oberseite geklebt. Stufenförmige Tragelemente 62a und 62b sind auf den Innenflächen der beiden gegenüberliegenden Seiten des Behältnisses 60 ausgebildet. Äußere Anschlußklemmen 63a und 63b sind eingeformt, so daß sie zur Oberseite der Tragelemente 62a und 62b und zu den äußeren Seitenflächen des Behält nisses 60 hin freiliegen. Diese äußeren Anschlußklemmen 63a und 63b werden beispielsweise dadurch hergestellt, daß man aus einer Kupferlegierung, aus Eisen oder dergleichen bestehende metallische Klemmen vergoldet oder verzinnt. Eine Dämpfungsöffnung 64 ist in einer anderen Seitenfläche als den Seitenflächen ausgebildet, wo die Tragelemente 62a und 62b des Behältnisses 60 vorgesehen sind.
Die zwei kürzeren Seiten der Membran 30 sind durch Haltemittel 65a und 65b auf den Tragelementen 62a und 62b gelagert. Die zwischen den beiden längeren Seiten der Membran 30 und dem Behältnis 60 ausgebildeten Zwischenräume sind mit elastischen Dichtungsmitteln 66a und 66b wie Siliconkautschuk abgedichtet. Die auf den kürzeren Seiten der Membran 30 vorgesehenen Stirnflächenelektroden 36 und 37 sind mit den zur Oberseite der Tragelemente 62a und 62b hin freiliegenden äußeren Anschlußelektroden 63a und 63b über die leitenden Pasten 67a bzw. 67b elektrisch verbunden. Vorzugsweise erfolgt das Anbringen der Haltemittel 65a und 65b und der elastischen Dichtungsmittel 66a und 66b, nachdem die Membran 30 und die äußeren Anschlußelektroden 63a und 63b mit den leitenden Pasten 67a und 67b festgeklebt wurden. Das Warmhärten der leitenden Pasten 67a und 67b, der Haltemittel 65a und 65b und der elastischen Dichtungsmittel 66a und 66b kann gleichzeitig erfolgen.
18 zeigt einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der eine Variante des in 15 bis 17 gezeigten Wandlers ist.
Diese Ausführungsform wird nicht dadurch hergestellt, daß die äußeren Anschlußelektroden 63a und 63b in das Behältnis 60 eingesetzt werden, sondern wird dadurch hergestellt, daß getrennt ausgebildete metallische Klemmen in die Öffnungen 60a des Behältnisses 60 eingesetzt werden und die metallischen Klemmen an den Öffnungen 60a festgeklebt werden. Da andere Konstruktionen dieselben sind wie die in 15 bis 17 gezeigten, sind dieselben Teile wie die in 15-17 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, um wiederholte Beschreibungen zu vermeiden.
In 19 bis 21 ist ein piezoelektrischer elektroakustischer Wandler gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, der als oberflächenmontierbares Bauelement konstruiert ist.
Bei dieser Ausführungsform werden anstelle der aus den Einsteckklemmen bestehenden äußeren Anschlußelektroden 63a und 63b gemäß 15 bis 17 Elektrodenfilme 63c und 63d verwendet, die durch stromloses Naßgalvanisieren oder Trockengalvanisieren wie zum Beispiel Sputtern hergestellt wurden. Bei dieser Ausführungsform werden die Elektrodenfilme 63c und 63d kontinuierlich von den Außenflächen der Seiten, auf denen die Tragelemente 62a und 62b vorgesehen sind, bis zu den Oberseiten der Tragelemente 62a und 62b ausgebildet.
Da andere Konstruktionen dieselben sind wie die in 15 bis 17 gezeigten, werden dieselben Teile wie jene in 15 bis 17 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, um wiederholte Beschreibungen zu vermeiden.
Bei den in 15 bis 21 gezeigten Ausführungsformen kann nicht nur die in 9 und 10 gezeigte Membran 30, sondern auch die in 11, 12 und 13 gezeigte Membran 30', 50 und 50' als Membran verwendet werden.
22 zeigt einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der eine Variante des in 7 gezeigten Wandlers ist. Dieselben Teile wie jene in 7 sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, um wiederholte Beschreibungen zu vermeiden.
22 ist eine perspektivische Ansicht dieser Ausführungsform, gesehen von der Unterseite. Stufenförmige Tragelemente 42a-42d sind um die gesamte innere Seitenfläche eines Behältnisses 40 herum ausgebildet. Die Oberseiten dieser Tragelemente 42a-42d sind so ausgebildet, daß sie bündig miteinander sind, und alle vier Seiten der Membran 30 werden durch Haltemittel 43 wie zum Beispiel einen Kleber 43 auf den Tragelementen 42a-42d gehalten.
Diese Ausführungsform wird als Schallgeber verwendet, der bei einer einzigen Frequenz arbeiten kann, wie zum Beispiel ein piezoelektrischer Schallgeber. Wenngleich die Membran 30 an ihrem gesamten Umfang durch das Haltemittel 43 festgehalten wird, kann die Membran 30 aufgrund ihrer Verwendung im Resonanzfrequenzbereich stark erregt werden, was zu einem lauten Schall führt.
23 zeigt einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler gemäß einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Da diese Ausführungsform im wesentlichen denselben Aufbau besitzt wie die in 15 bis 17 gezeigte, sind dieselben Teile wie jene in 15 bis 17 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, um wiederholte Beschreibungen zu vermeiden.
Bei dieser Ausführungsform sind stufenförmige Tragelemente 62 um die gesamte innere Seitenfläche eines rechteckigen Behältnisses 60 herum ausgebildet. Alle vier Seiten einer Membran 30 werden durch ein Haltemittel 65 wie zum Beispiel einen Kleber auf dem Tragelement 62 gehalten.
Diese Ausführungsform wird auch als Schallgeber verwendet, der bei einer einzigen Frequenz arbeiten kann, wie zum Beispiel ein piezoelektrischer Schallgeber. Die Membran wird im Resonanzfrequenzbereich verwendet.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, aber verschiedene Änderungen und Modifikationen können an der Erfindung vorgenommen werden, ohne vom Geist und vom Rahmen derselben abzuweichen.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist eine mit einer inneren Elektrode verbundene Stirnflächenelektrode auf der Stirnfläche der Membran ausgebildet, und die innere Elektrode wird über die Stirnflächenelektrode einer Membran herausgezogen. Alternativ kann die innere Elektrode jedoch über ein Durchgangsloch herausgezogen werden wie es in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 61-205100 offenbart ist, oder sie kann über eine schlitzförmige Nut oder eine schlitzförmige Öffnung herausgezogen werden.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen erhält man die Membran 1, 30, 30', 50 und 50' durch Laminieren von zwei oder drei grünen Keramikschichten über einen Elektrodenfilm, gleichzeitiges Brennen dieses Schichtkörpers zu einem Sinterkörper und dann Polarisieren dieses gesinterten Schichtkörpers. Anstatt mit diesem Verfahren kann man die Membran jedoch auch dadurch erhalten, daß zwei oder drei Keramikplatten, die zuvor gebrannt und polarisiert wurden, laminiert werden und die laminierten Keramikplatten dann aufeinandergeklebt werden. Mit dem erstgenannten Herstellungsverfahren, bei dem das Brennen nach dem Laminieren der Keramikschichten erfolgt, kann jedoch eine viel dünnere Membran hergestellt und ein höherer Schalldruck erzielt werden als bei dem zuletzt genannten Herstellungsverfahren, bei dem die zuvor gebrannten Keramikschichten laminiert werden. Bei dem erstge nannten Verfahren kann die Membran daher einen überlegenen elektroakustischen Umwandlungswirkungsgrad aufweisen.
Die Membran gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf eine Membran begrenzt, die ausschließlich aus piezoelektrischen Keramikschichten besteht. Eine verstärkte Schicht wie zum Beispiel eine Metallfolie oder eine Harzschicht können auf eine Seite des Schichtkörpers geklebt werden. Im Gegensatz zu der bei einer unimorphen Membran verwendeten Metallplatte soll mit dieser verstärkten Schicht verhindert werden, daß in einem Schichtkörper Risse oder dergleichen entstehen. Vorzugsweise ist die hier verwendete verstärkte Schicht so ausgelegt, daß sie die Biegeschwingung des Schichtkörpers nicht verhindert.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, sind gemäß der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung Hauptflächenelektroden auf der Ober- und Unterseite des aus zwei oder drei piezoelektrischen Keramikschichten bestehenden Schichtkörpers ausgebildet, sind innere Elektroden zwischen den Keramikschichten ausgebildet, und sind alle Keramikschichten in derselben Richtung in bezug auf die Dickenrichtung polarisiert, und folglich zieht sich beim Anlegen einer Wechselspannung zwischen den Hauptflächenelektroden und den inneren Elektroden die untere Keramikschicht zusammen, während sich zum Beispiel die obere Keramikschicht ausdehnt, was dazu führt, daß der Schichtkörper in seiner Gesamtheit in eine Biegeschwingung versetzt wird. Der Schwingweg der vorliegenden Membran ist größer als der der Membran unimorphen Typs, was zu einem erhöhten Schalldruck führt.
Da alle Keramikschichten in derselben Richtung in bezug auf die Dickenrichtung polarisiert sind, ist außerdem im Gegensatz zu dem herkömmlichen Verfahren keine komplizierte Verbindung zwischen den Hauptflächenelektroden und den inneren Elektroden notwendig. Die Biegeschwingung der Membran erhält man einfach durch Anlegen einer Spannung an die Hauptflächenelektroden und die inneren Elektroden. Dies führt zu einer Vereinfachung des Aufbaus und einer Verringerung der Produktionskosten.

Claims

Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler, welcher folgendes umfaßt: einen Schichtkörper aus piezoelektrischen Keramikschichten, wobei zwischen zwei benachbarten piezoelektrischen Keramikschichten jeweils eine innere Elektrode ausgebildet ist und die Keramikschichten in derselben Richtung in Bezug auf die Dickenrichtung des Schichtkörpers polarisiert sind; und Hauptflächenelektroden, die jeweils auf der Oberseite und der Unterseite des Schichtkörpers ausgebildet sind, wobei der Schichtkörper in seiner Gesamtheit in eine Biegeschwingung versetzbar ist, indem eine Wechselspannung über die Hauptflächenelektroden und die inneren Elektroden angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtkörper (50, 50') drei Keramikschichten (51, 52, 53) umfaßt.
Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Elektroden (56, 57) mit einer auf einer Stirnfläche des Schichtkörpers (50, 50') ausgebildeten Stirnflächenelektrode (59) verbunden sind; und eine Wechselspannung über die Stirnflächenelektrode (59) und die zwei Hauptflächenelektroden (54, 55) angelegt wird.
Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (t) der mittleren Keramikschicht (52) zwischen 50 Prozent und 80 Prozent der Gesamtdicke (T) des Schichtkörpers beträgt.
Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtkörper (50, 50') aus einem Sinterkörper besteht, den man durch Laminieren von drei keramischen Grünschichten mit einem jeweils dazwischenliegenden Elektrodenfilm und gleichzeitiges Brennen der laminierten Grünschichten erhält; und alle Keramikschichten (51, 52, 53) in derselben Richtung in Bezug auf die Dickenrichtung polarisiert werden, indem eine Spannung über die auf der Ober- und Unterseite des Schichtkörpers (50, 50') ausgebildeten Hauptflächenelektroden (54, 55) angelegt wird.
Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler, welcher. folgendes umfaßt: einen Schichtkörper aus zumindest zwei piezoelektrischen Keramikschichten, wobei zwischen zwei benachbarten piezoelektrischen Keramikschichten jeweils eine innere Elektrode ausgebildet ist und die Keramikschichten in derselben Richtung in Bezug auf die Dickenrichtung des Schichtkörpers polarisiert sind; und Hauptflächenelektroden, die jeweils auf der Oberseite und der Unterseite des Schichtkörpers ausgebildet sind, wobei der Schichtkörper in seiner Gesamtheit in eine Biegeschwingung versetzbar ist, indem eine Wechselspannung über die Hauptflächenelektroden und die mindestens eine innere Elektrode angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtkörper (30, 30', 50, 50') die Form einer rechteckigen Platte hat der Schichtkörper (30, 30', 50, 50') in einem Behältnis (40) mit einer Öffnung in seiner Unterseite und einer schallabstrahlenden Öffnung (42) in seiner Oberseite untergebracht ist; zwei einander gegenüberliegende Seiten des Schichtkörpers durch Haltemittel (43a, 43b) auf Tragelementen (42a, 42b) gehalten werden, die auf den Innenflächen der gegenüberliegenden Seiten des Behältnisses (40) ausgebildet sind; die Zwischenräume zwischen den beiden anderen Seiten des Schichtkörpers und den inneren Seitenflächen des Behältnisses durch ein elastisches Dichtungsmittel (44a, 44b) abgedichtet sind; und die Öffnung in der Unterseite des Behältnisses (40) durch eine untere Abdeckung (41) verschlossen ist, die mit den Hauptflächenelektroden (33, 34, 54, 55) und der mindestens einen inneren Elektrode (35, 56, 57) des Schichtkörpers (30, 30', 50, 50') verbundene äußere Anschlußelektroden (45a, 45b) aufweist.
Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler, welcher folgendes umfaßt: einen Schichtkörper aus zumindest zwei piezoelektrischen Keramikschichten, wobei zwischen zwei benachbarten piezoelektrischen Keramikschichten jeweils eine innere Elektrode ausgebildet ist und die Keramikschichten in derselben Richtung in Bezug auf die Dickenrichtung des Schichtkörpers polarisiert sind; und Hauptflächenelektroden, die jeweils auf der Oberseite und der Unterseite des Schichtkörpers ausgebildet sind, wobei der Schichtkörper in seiner Gesamtheit in eine Biegeschwingung versetzbar ist, indem eine Wechselspannung über die Hauptflächenelektroden und die mindestens eine innere Elektrode angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtkörper (30, 30', 50, 50') die Form einer rechteckigen Platte hat; der Schichtkörper (30, 30', 50, 50') in einem Behältnis (60) untergebracht ist, das eine Öffnung (61) in der Oberseite und mit den Hauptflächenelektroden (33, 34, 54, 55) und der mindestens einen inneren Elektrode (35, 56, 57) des Schichtkörpers (30, 30', 50, 50') verbundene äußere Anschlußelektroden (63a, 63b, 63c, 63d) aufweist; zwei gegenüberliegende Seiten des Schichtkörpers (30, 30', 50, 50') durch Haltemittel (65a, 65b) auf Tragelementen (62a, 62b) gehalten werden, die auf den Innenflächen der gegenüberliegenden Seiten des Behältnisses (60) ausgebildet sind; die Zwischenräume zwischen den beiden anderen Seiten des Schichtkörpers (30, 30', 50, 50') und den inneren Seitenflächen des Behältnisses (60) durch ein elastisches Dichtungsmittel (66a, 66b) abgedichtet sind; und die Öffnung (61) in der Oberseite des Behältnisses (60) durch eine obere Abdeckung (68) mit einer schallabstrahlenden Öffnung (69) verschlossen ist.
Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler, welcher folgendes umfaßt: einen Schichtkörper aus zumindest zwei piezoelektrischen Keramikschichten, wobei zwischen zwei benachbarten piezoelektrischen Keramikschichten jeweils eine innere Elektrode ausgebildet ist und die Keramikschichten in derselben Richtung in Bezug auf die Dickenrichtung des Schichtkörpers polarisiert sind; und Hauptflächenelektroden, die jeweils auf der Oberseite und der Unterseite des Schichtkörpers ausgebildet sind, wobei der Schichtkörper in seiner Gesamtheit in eine Biegeschwingung versetzbar ist, indem eine Wechselspannung über die Hauptflächenelektroden und die mindestens innere Elektrode angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtkörper (30, 30', 50, 50') die Form rechteckigen Platte hat; der Schichtkörper (30, 30', 50, 50') in einem Behältnis (40) mit einer Öffnung in seiner Unterseite und mit einer schallabstrahlenden Öffnung (42) in seiner Oberseite untergebracht ist; die vier Seiten des Schichtkörpers (30, 30', 50, 50') durch Haltemittel (43) auf Tragelementen (42a, 42b, 42c, 42d) gehalten werden, die auf den inneren Seitenflächen des Behältnisses (40) ausgebildet sind; und die Öffnung in der Unterseite des Behältnisses (40) durch eine untere Abdeckung (41) verschlossen ist, die mit den Hauptflächenelektroden (33, 34, 54, 55) und der mindestens einen inneren Elektrode (35, 56, 57) des Schichtkörpers (30, 30', 50, 50') verbundene äußere Anschlußelektroden (45a, 45b) aufweist.
Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler, welcher folgendes umfaßt: einen Schichtkörper aus zumindest zwei piezoelektrischen Keramikschichten, wobei zwischen zwei benachbarten piezoelektrischen Keramikschichten jeweils eine innere Elektrode ausgebildet ist und die Keramikschichten in derselben Richtung in Bezug auf die Dickenrichtung des Schichtkörpers polarisiert sind; und Hauptflächenelektroden, die jeweils auf der Oberseite und der Unterseite des Schichtkörpers ausgebildet sind, wobei der Schichtkörper in seiner Gesamtheit in eine Biegeschwingung versetzbar ist, indem eine Wechselspannung über die Hauptflächenelektroden und die mindestens eine innere Elektrode angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtkörper (30, 30', 50, 50') die Form einer rechteckigen Platte hat; der Schichtkörper (30, 30', 50, 50') in einem Behältnis (60) untergebracht ist, das eine Öffnung in seiner Oberseite und mit den Hauptflächenelektroden (33, 34, 54, 55) und der mindestens einen inneren Elektrode (35, 56, 57) des Schichtkörpers (30, 30', 50, 50') verbundene äußere Anschlußelektroden (63a, 63b) aufweist; die vier Seiten des Schichtkörpers (30, 30', 50, 50') durch Haltemittel (65) auf Tragelementen (62) gehalten werden, die auf den inneren Seitenflächen des Behältnisses (60) ausgebildet sind; und die Öffnung in der Oberseite des Behältnisses durch eine obere Abdeckung (68) mit einer schallabstrahlenden Öffnung (69) verschlossen ist.
Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine innere Elektrode (35, 56, 57) mit einer auf einer Stirnfläche des Schichtkörpers (30, 30', 50, 50') ausgebildeten Stirnflächenelektrode (37, 59) verbunden ist; und eine Wechselspannung über die Stirnflächenelektrode (37, 59) und die zwei Hauptflächenelektroden (33, 34, 54, 55) angelegt wird.
Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtkörper (50, 50') drei Keramikschichten (51, 52, 53) umfaßt; und die Dicke (t) der mittleren Keramikschicht (52) zwischen 50 Prozent und 80 Prozent der Gesamtdicke (T) des Schichtkörpers (50, 50') beträgt.
Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei dem der Schichtkörper (30, 30', 50, 50') aus einem Sinterkörper besteht, den man durch Laminieren von zwei oder drei keramischen Grünschichten mit einem jeweils dazwischenliegenden Elektrodenfilm und gleichzeitiges Brennen der laminierten Grünschichten erhält; und alle Keramikschichten (31, 32, 51, 52, 53) in derselben Richtung in Bezug auf die Dickenrichtung polarisiert werden, indem eine Spannung über die auf der Ober- und Unterseite des Schichtkörpers (30, 30', 50, 50') ausgebildeten Hauptflächenelektroden (33, 34, 54, 55) angelegt wird.