DE102004018301B4

DE102004018301B4 - Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler

Info

Publication number: DE102004018301B4
Application number: DE102004018301A
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Nagaokakyo Takeshima; Masakazu Nagaokakyo Yamauchi; Manabu Nagaokakyo Sumita
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-04-21
Filing date: 2004-04-15
Publication date: 2010-09-02
Anticipated expiration: 2024-04-16
Also published as: JP3979334B2; US6888947B2; JP2004328055A; DE102004018301A1; CN100525512C; CN1571581A; US20040205949A1

Abstract

Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler, gekennzeichnet durch:
eine rechtwinklige piezoelektrische Membran (1), die eine H Innenelektrode (4), mehrere laminierte piezoelektrische Keramiklagen (1a, 1b), wobei die Innenelektrode (4) jeweils zwischen zwei der piezoelektrischen Keramiklagen (1a, ab) eingefügt ist, und Hauptflächenelektroden (2, 3) enthält, die auf der oberen und unteren Hauptfläche der piezoelektrischen Membran (1) angeordnet sind, wobei die piezoelektrische Membran (1) Oberflächenbiegevibrationen in Reaktion auf ein zwischen den Hauptflächenelektroden (2, 3) und der Innenelektrode (4) angelegtes Wechselsignal erzeugt;
einen rechtwinkligen Harzfilm (10), der größer als die piezoelektrische Membran (1) ist und auf dessen zentralen Abschnitt seiner Vorderseite die piezoelektrische Membran (1) befestigt ist; und
ein Gehäuse (20), das die piezoelektrische Membran (1) und den Harzfilm (10) birgt und das eine Halterung (20f) zum Halten einer Außenperipherie des Harzfilms (10) hat, auf der die piezoelektrische Membran (1) nicht befestigt ist; wobei
der Harzfilm (10) wenigstens bis zu einer Aufschmelzlöttemperatur...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft piezoelektrische elektroakustische Wandler, wie z. B. einen piezoelektrischen Empfänger, einen piezoelektrischen Tongeber oder einen piezoelektrischen Lautsprecher und besonders einen elektroakustischen Wandler, der an einer Oberfläche montierbar ist.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Bislang wurden häufig in elektronischen Geräten, elektrischen Haushaltsgeräten, tragbaren Telefonen u. s. w. verschiedenartige bekannte elektroakustische Wandler verwendet, die einen einen hörbaren Alarm oder einen Betriebston erzeugenden piezoelektrischen Tongeber oder piezoelektrischen Empfänger bildeten.
Der bekannte elektroakustische Wandler hat im Allgemeinen eine Struktur, bei der eine eingestaltige (unimorphe) piezoelektrische Membran durch die Befestigung einer piezoelektrischen Platte an der Oberfläche einer Metallplatte gebildet wird und bei der die Metallplatte an ihrem Umfang innerhalb eines Gehäuses verklebt und die Öffnung des Gehäuses mit einem Deckel bedeckt wurde.
Da die im quadratischen Vibrationsmodus schwingende piezoelektrische Platte von der eine unveränderliche Fläche aufweisenden Metallplatte festgehalten wird, hat die Biegevibrationen erzeugende Membran eine kleine akustische Wandlungswirkung und es lässt sich auch nur schwer eine kompakte Struktur und eine Schallcharakteristik mit niedriger Resonanzfrequenz erreichen. Zusätzlich wird die Peripherie der Membran vom Gehäuse fest gehalten, was eine Schwierigkeit bei der Erzeugung höherer Resonanzfrequenzen mit sich bringt.
Die ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer JP 61-161100 A schlug einen piezoelektrischen Lautsprecher mit einer Struktur vor, bei der eine runde unimorphe piezoelektrische Membran an einem mittleren Teil eines runden Kunstharzfilms befestigt ist. Der Film hat in seinem mittleren Teil einen flachen Abschnitt und einen um den flachen Abschnitt durch Guss gebildeten kreisförmigen Vorsprung. Der vorgeschlagene elektroakustische Wandler hat den Vorteil, dass er im Vergleich mit dem oben beschriebenen elektroakustischen Wandler, der durch eine direkte Anbindung der Membran an das Gehäuse hergestellt wird, auf Grund der Elastizität des Films und auf Grund des Vorsprungs einen breiteren Frequenzbereich hat.
Wegen der unimorphen piezoelektrischen Membran lässt sich mit dieser nur schwer eine hohe akustische Wandlungseffizienz und eine kompakte Struktur erreichen. Da außerdem sowohl der Film als auch die Membran rund sind, sind ihre verformten Volumina nur klein, weshalb die akustische Wandlungseffizienz zu klein ist.
Die ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer JP 2002-10393 A hat eine piezoelektrische Membran mit hoher akustischer Wandlungseffizienz vorgeschlagen. Diese piezoelektrische Membran hat eine Struktur, bei der ein Laminat durch Laminieren von zwei oder drei rechteckigen piezoelektrischen Keramiklagen mit einer zwischen zwei Keramiklagen eingebetteten Innenelektrode und auf einer vorderen und hinteren Hauptfläche gebildeten Hauptflächenelektroden hat. Die Keramiklagen sind jeweils in derselben Dickenrichtung polarisiert. Wenn ein Wechselsignal zwischen den Hauptflächenelektroden und der Innenelektrode angelegt wird, erzeugt das Laminat Biegevibrationen und auf diese Weise Schall.
Die die obige Struktur aufweisende piezoelektrische Membran ist ein Keramiklaminat und die übereinander in Dickenrichtung angeordneten Seitenvibrationsbereiche (Keramiklagen) vibrieren in entgegengesetzten Richtungen zueinander und erzielen dadurch eine größere Verformung, d. h. einen höheren Schalldruck, als er mit einer unimorphen piezoelektrischen Membran erzielbar ist, bei der eine piezoelektrische Platte auf einer Metallplatte befestigt ist. Auch diese piezoelektrische Membran ist rechtwinklig, erreicht dadurch ein größeres Verformungsvolumen und damit einen höheren Schalldruck, als er mit einer runden Membran erreichbar ist.
Obwohl die piezoelektrische Membran, wie oben beschrieben, einen ausgezeichneten akustischen Wandlerwirkungsgrad hat, stellt sich bei der Membran eine zu hohe Resonanzfrequenz ein, die durch ihre Struktur verursacht wird, bei der der Bereich um die Membran, wenn sie von einem Gehäuse oder dergleichen gehalten wird, durch Verklebung ohne verbleibenden Zwischenraum abgedichtet werden muss. Z. B. ergibt sich, wenn zwei einander entgegengesetzte Seiten der piezoelektrischen Membran mit einer Abmessung von 10 mm × 10 mm an dem Gehäuse durch Verklebung befestigt und die anderen beiden Seiten elastisch und damit verformbar abgedichtet werden, eine Resonanzfrequenz bei etwa 1200 Hz, wodurch sich ein beträchtlich verringerter Schalldruck bei etwa 300 Hz ergibt, wo die Untergrenze des Frequenzbands der menschlichen Stimme liegt.
Ein piezoelektrischer Empfänger erfordert einen elektroakustischen Wandler mit einer nahezu flachen Schalldruckcharakteristik in einem Frequenzband von 300 Hz bis 3,4 kHz, das dem Frequenzband der menschlichen Stimme äquivalent ist und der eine Breitbandstimme wiedergeben kann. Unglücklicherweise lässt sich mit der oben erwähnten Stütz- oder Aufhängestruktur kein Wandler mit einer nahezu flachen Frequenzcharakteristik des Schalldrucks in einem breiten Frequenzband erreichen. Obwohl ein größeres Gehäuse und eine größere Membran die Resonanzfrequenz verringern, vergrößert sich dadurch die Abmessung des elektroakustischen Wandlers.
Um das oben beschriebene Problem zu lösen, kann die piezoelektrische Membran, ohne stark eingespannt zu sein, dadurch gehalten werden, dass die Oberflächenbiegevibrationen erzeugende piezoelektrische Membran einen Harzfilm hat, der größer ist als die piezoelektrische Membran, die an einer ihrer Oberflächen befestigt ist und mit seinem Außenumfang mit einem Halter eines Gehäuses verbunden ist. In diesem Fall vibriert die piezoelektrische Membran leichter als im üblichen Fall, wo zwei der vier Seiten der piezoelektrischen Membran durch das Gehäuse gehalten werden. Als Ergebnis lässt sich auch dann, wenn die Membran dieselben Abmessungen wie die herkömmliche Membran hat, die Resonanzfrequenz verringern und auch ihre Verformung auf Grund einer Verringerung der auf sie einwirkenden Haltekraft vergrößern und damit ein höherer Schalldruck erzielen. Zusätzlich fällt der erreichte Schalldruck in einem Frequenzbereich von der Resonanzfrequenz der Grundschwingung zur Resonanzfrequenz der zweiten Oberschwingung (sekundäre Resonanzfrequenz) nicht ab und ermöglicht dadurch die Wiedergabe einer Breitbandstimme.
Dagegen verändert sich in dem elektroakustischen Wandler mit dem oben erwähnten Harzfilm die auf den Film einwirkende Spannung je nach Zustand der Verbindungsstellen zwischen dem Film und dem Gehäuse, so dass die Resonanzfrequenz der Membran verzerrt und ein fluktuierender Frequenzgang erzeugt wird.
Obwohl zu erwarten ist, dass der elektroakustische Wandler in Oberflächenmontage auch direkt auf einer Schaltungsplatte montiert wird, werden der Kunstharzfilm, das Gehäuse, ein Klebstoff und dergleichen auf Grund der beim Aufschmelzlöten erzeugten Hitze verformt und verursachen durch die Veränderung der auf die piezoelektrische Membran einwirkenden Spannung eine Verzerrung ihres Frequenzgang vor und nach dem Aufschmelzlöten.
Aus der EP 1 175 126 A1 ist ein piezoelektrischer elektroakustischer Wandler bekannt, der folgendes aufweist: eine im wesentlichen rechtwinklige piezoelektrische Membran, einen im wesentlichen rechtwinkligen Polymerfilm, der größer als die piezoelektrische Membran ist und auf dessen im wesentlichen zentralen Abschnitt seiner Vorderseite die piezoelektrische Membran befestigt ist, und ein Gehäuse, das die piezoelektrische Membran und den Polymerfilm birgt und das eine Halterung zum Halten einer Außenperipherie des Polymerfilms hat, auf der die piezoelektrische Membran nicht befestigt ist. Ein Umfang des Polymerfilms einschließlich seiner vier Ecken ist mit der Halterung des Gehäuses verklebt. Darüber hinaus weist der Polymerfilm wenigstens einen welligen Abschnitt auf, der durch Nuten gebildet wird und der an der Peripherie, auf der die piezoelektrische Membran nicht befestigt ist, und innerhalb des Außenumfangs des Polymerfilms angeordnet ist, der mit der Halterung verklebt ist.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler bereitzustellen, bei dem Fluktuationen oder Verzerrungen des Frequenzgangs vermieden sind, wie sie mit den Verbindungszuständen zwischen einem Film und einem Gehäuse oder mit der beim Aufschmelzlöten erzeugten Hitze einhergehen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Übereinstimmend mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein piezoelektrischer elektroakustischer Wandler eine im Wesentlichen rechtwinklige piezoelektrische Membran, die eine Innenelektrode, mehrere laminierte piezoelektrische Keramiklagen mit der zwischen zwei piezoelektrische Keramiklagen eingefügten Innenelektrode und auf der oberen und unteren Hauptfläche der piezoelektrischen Membran liegende Hauptflächenelektroden enthält, wobei die piezoelektrische Membran Oberflächenbiegevibrationen in Reaktion auf ein zwischen den Hauptflächenelektroden und der Innenelektrode anliegendes Wechselsignal erzeugt, einen im Wesentlichen rechtwinkligen Harzfilm, der größer ist als die piezoelektrische Membran und auf dem die piezoelektrische Membran im Wesentlichen an seinem mittleren Abschnitt befestigt ist, und ein Gehäuse auf, welches die piezoelektrische Membran und den Harzfilm birgt und das eine Halterung zum Halten der Außenperipherie des Harzfilmes hat, auf der die piezoelektrische Membran nicht befestigt ist. Der Harzfilm ist mindestens bis zu einer Temperatur des Aufschmelzlötens hitzebeständig und sein Umfang einschließlich seiner vier Ecken ist mit der Halterung des Gehäuses verklebt, wobei die Fläche der piezoelektrischen Membran etwa 40% bis etwa 70% der Fläche des Harzfilms beträgt, die nicht mit der Halterung verklebt ist, und der Harzfilm hat wenigstens einen welligen Abschnitt, der zur Vorderseite und zur Rückseite des Harzfilms hin gewellt ist und dessen Peripherie, auf der die piezoelektrische Membran nicht befestigt ist und innerhalb des Außenumfangs des Harzfilms gebildet ist, der mit der Halterung verklebt ist.
In dem einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechenden piezoelektrischen elektroakustischen Wandler hat die Oberflächenbiegevibrationen erzeugende piezoelektrische Membran den im Wesentlichen rechtwinkligen Harzfilm, der größer ist als die piezoelektrische Membran und der an einer Oberfläche derselben befestigt ist. Durch die Verbindung des Filmumfangs mit der Halterung des Gehäuses ist die piezoelektrische Membran gehalten ohne stark eingespannt zu sein, und dadurch kann die piezoelektrische Membran freier als im herkömmlichen Fall vibrieren, wo die piezoelektrische Membran direkt mit dem Gehäuse verbunden war. Als Ergebnis ist die Resonanzfrequenz auch dann geringer, wenn die Membran dieselben Abmessungen, wie die herkömmliche Membran hat, und ihre Verformung kann durch die verringerte durch die Gehäusehalterung einwirkende Einspannkraft größer sein, wodurch die piezoelektrische Membran einen höheren Schalldruck erreicht. Zusätzlich sinkt der erzielte Schalldruck im Frequenzbereich von der Grundreso nanzfrequenz zur sekundären Resonanzfrequenz nicht ab und ermöglicht dadurch die Wiedergabe einer Breitbandstimme.
Das Größenverhältnis (Flächenverhältnis) der piezoelektrischen Membran zum Harzfilm spielt eine wesentliche Rolle für die Schalldruckcharakteristik. Wenn das Flächenverhältnis der piezoelektrischen Membran zum Harzfilm im Bereich von 40% bis 70% liegt, ergibt sich eine zufrieden stellende Schalldruckcharakteristik. Wenn dagegen das Flächenverhältnis kleiner als 40% oder größer als 70% ist, neigt der Schalldruck dazu, sich zu verringern. Mit dieser Erkenntnis liegt bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung das Flächenverhältnis der piezoelektrischen Membran zum Harzfilm bevorzugt in einem Bereich von 40% bis 70%.
Der Harzfilm hat wenigstens einen welligen Abschnitt, der zur Vorderseite und zur Rückseite des Harzfilms hin gewellt ist und der an dessen Peripherie, an der die piezoelektrische Membran nicht befestigt ist, und innerhalb seines Außenumfangs liegt, der an der Halterung verklebt ist. Anders gesagt ist der wellige Abschnitt so gebildet, dass er wenigstens mit den Abschnitten korrespondiert, wo die Verbindung zwischen dem Harzfilm und der Halterung des Gehäuses vorhanden ist. Durch die Elastizität des welligen Abschnitts wird eine Spannungsveränderung auch dann absorbiert, wenn sich eine auf den Film einwirkende Spannung mit den sich verändernden Verbindungszuständen zwischen dem Film und dem Gehäuse verändert und verleiht dadurch der Membran eine konstante Resonanzfrequenz und dementsprechend einen stabilen Frequenzgang. Gleichermaßen werden trotz der auf den Film, das Gehäuse, den Klebstoff u. s. w. durch die beim Aufschmelzlöten erzeugte Hitze einwirkenden thermischen Spannungen diese Spannungen auf Grund der Elastizität des welligen Teils des Films absorbiert, so dass dieser wellige Teil die auf die piezoelektrische Membran einwirkende Spannung stabilisiert und dadurch die Verschiebung der Resonanzfrequenz und eine Variation des Frequenzgangs der piezoelektrischen Membran verhindert.
Der Film, das Gehäuse, die piezoelektrische Membran, der Klebstoff u. s. w. bestehen bevorzugt aus Materialien, die wenigstens bis zur Temperatur des Aufschmelzlötens wärmebeständig sind (beispielsweise um 220°C bis etwa 260°C).
In dem piezoelektrischen akustischen Wandler ist der wellige Abschnitt bevorzugt entlang des Umfangs des Harzfilms vorgesehen.
Wenn der wellige Abschnitt längs des Umfangs des Harzfilms liegt, kann der wellige Abschnitt die auf den Film einwirkende Spannung in jeder Richtung absorbieren und dadurch die Veränderung des Frequenzgangs der Membran verringern.
Wenn insbesondere der Umfang des Harzfilms mit der Halterung des Gehäuses verklebt wird, ist es zu bevorzugen, dass der wellige Abschnitt längs des Umfangs des Harzfilms liegt.
Der piezoelektrische elektroakustische Wandler kann eine Struktur haben, bei der der wellige Abschnitt längs jeder Seite des Harzfilmes mit Ausnahme des mittleren Abschnitts der jeweiligen Seite liegt, und elektrisch leitende Klebstoffe, die auf die mittleren Abschnitte an den Seiten des Harzfilms, wo die entsprechenden welligen Abschnitte nicht gebildet sind, aufgebracht werden, verbinden die Elektroden der piezoelektrischen Membran mit entsprechenden im Gehäuse angeordneten Anschlüssen.
Manchmal werden die elektrisch leitenden Klebstoffe zur elektrischen Verbindung der Elektroden der piezoelektrischen Membran mit entsprechenden im Gehäuse angebrachten Anschlüssen verwendet. In diesem Fall hat, wenn sich der elektrisch leitende Klebstoff zum entsprechenden welligen Abschnitt ausbreitet, der wellige Abschnitt eine geringere spannungsabsorbierende Wirkung, wodurch Fluktuationen des Frequenzgangs verursacht werden.
Das zuvor erwähnte Problem lässt sich dadurch verhindern, dass man den welligen Abschnitt längs jeder Seite des Harzfilms mit Ausnahme des zentralen Abschnitts jeder Seite bildet und indem der elektrisch leitende Klebstoff entlang einer freien Stelle an der Seite, wo kein welliger Abschnitt vorhanden ist, aufgetragen wird. Dadurch können die Elektroden der piezoelektrischen Membran mit den entsprechenden Anschlüssen elektrisch verbunden werden, während gleichzeitig die spannungsabsorbierende Wirkung der welligen Abschnitte erhalten bleibt.
In dem piezoelektrischen elektroakustischen Wandler wird der piezoelektrischen Membran bevorzugt ein bevorzugt aus einem zähelastischen Material bestehendes Zusatzgewichtsglied zugefügt.
Wenn der piezoelektrische elektroakustische Wandler eine Struktur mit einer auf dem Harzfilm befestigten laminierten piezoelektrischen Membran hat, lässt sich seine Schalldruckcharakteristik nicht flach machen, da sein Schalldruck im Frequenzbereich zwischen der Grundresonanzfrequenz und der sekundären Resonanzfrequenz abfällt. Um eine flache Schalldruckcharakteristik zu erzielen, wird lediglich die sekundäre Resonanzfrequenz ohne Beeinflussung der Grundresonanzfrequenz verringert.
Wenn auf diese Weise ein aus einem zähelastischen Material bestehendes Gewichtsglied der piezoelektrischen Membran zugefügt wird, kann lediglich die sekundäre Resonanzfrequenz ohne Beeinflussung der Grundresonanzfrequenz abgesenkt werden, wodurch sich eine flache Schallcharakteristik erreichen lässt. Außerdem darf das Gewichtsglied von der piezoelektrischen Membran nicht nach außen vorstehen, da sich die Frequenzcharakteristik verschlechtert, wenn das Gewichtsglied über den Harzfilm hinaus ragt.
Die Frequenzcharakteristik des Schalldrucks kann in Übereinstimmung mit der Masse des Zusatzgewichts eingestellt werden. Da sich die sekundäre Resonanzfrequenz sehr wahrscheinlich nicht absenken lässt, wenn das Zusatzge wichtsglied eine zu hohe Young-Zahl hat, besteht das Gewichtsglied bevorzugt aus einem zähelastischen Material, wie z. B. Silikon, Gummi. Genauer ist in dem piezoelektrischen elektroakustischen Wandler die Young-Zahl des Gewichtsglieds bevorzugt nicht größer als etwa 10 MPa.
In dem piezoelektrischen elektroakustischen Wandler ist das Verhältnis der Masse des Gewichtsglieds zur Gesamtmasse der piezoelektrischen Membran einschließlich des Harzfilms bevorzugt nicht größer als 0,4.
Obwohl sich der Schalldruck in einem Frequenzbereich unterhalb der sekundären Resonanzfrequenz mit sich erhöhendem Massenverhältnis absenkt, wird die sekundäre Resonanzfrequenz kleiner, damit auch ein Abfall des Schalldrucks kleiner, und somit wird die Schalldruckcharakteristik im oberen Frequenzbereich flacher. Außerdem senkt sich, wenn das hinzugefügte Massenverhältnis zu groß wird, der Schalldruck im Frequenzbereich unterhalb der Grundresonanzfrequenz.
Wenn das Massenverhältnis nicht größer als 0,4 ist, lässt sich der Abfall des Schalldrucks in dem obigen Frequenzbereich verringern und gleichzeitig verhindern, dass er in dem Frequenzbereich unterhalb der Grundresonanzfrequenz absinkt.
In dem piezoelektrischen elektroakustischen Wandler ist die Young-Zahl des Gewichtsglieds bevorzugt nicht größer als etwa 10 MPa.
Das Gewichtsglied besteht bevorzugt aus einem gering elastischer, Material, um die sekundäre Resonanzfrequenz zu senken. Wenn die Young-Zahl des Gewichtsglieds etwa 10 MPa übersteigt, lässt sich die sekundäre Resonanzfrequenz kaum verringern, deswegen ist es zu bevorzugen, dass die Young-Zahl des Gewichtsglieds nicht größer als etwa 10 MPa ist, um auf diese Weise die sekundäre Resonanzfrequenz wirksam abzusenken.
Andere Merkmale, Elemente, Eigenschaften und Vorteile dieser Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung bezogen auf die beiliegenden Zeichnungen noch deutlicher.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers;
2 ist eine ebene Ansicht des in 1 gezeigten piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers, wobei der Deckel und eine elastische Dichtung entfernt sind;
3 ist eine Schnittansicht längst der Linie A-A in 2;
4 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Membran mit einem Harzfilm;
5(a) ist eine ebene Ansicht und 5(b) eine Schnittansicht der Membran mit dem Harzfilm längs der Linie B-B von 5(a);
6 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der piezoelektrischen Membran;
7 ist eine Schnittansicht der piezoelektrischen Membran entlang der in 6 dargestellten Linie C-C;
8 zeigt grafisch die Beziehung zwischen dem Flächenverhältnis der Membran und dem relativen Schalldruck;
Die 9(a) und (b) sind Vergleichsdiagramme von Schalldruckcharakteristiken vor und nach dem Aufschmelzlöten zwischen zwei elektroakustischen Wandlern, von denen der eine mit einer piezoelektrischen Membran mit einem Film ohne wellige Abschnitte und der andere mit einer piezoelektrischen Membran mit einem Film mit welligen Abschnitten versehen ist;
Die 10(a) bis (c) sind ebene Ansichten anderer beispielhafter Membranen mit einem Harzfilm entsprechend bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung;
11 ist eine ebene Ansicht eines einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung entsprechenden elektroakustischen Wandlers;
12 ist ein Vergleichsdiagramm, das die Schalldruckcharakteristiken jeweils der dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel entsprechenden piezoelektrischen Membran und der dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechenden piezoelektrischen Membran vergleicht;
13 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Massenverhältnis eines Zusatzgewichtsglieds und der Grundresonanzfrequenzvarianz zeigt;
14 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Massenverhältnis des Zusatzgewichtsglieds und der Varianz der sekundären Resonanzfrequenz veranschaulicht;
15 veranschaulicht grafisch die Beziehung zwischen dem Massenverhältnis des Zusatzgewichtsglieds und der Schalldruckvarianz bei etwa 100 Hz;
16 zeigt grafisch die Beziehung zwischen dem Massenverhältnis des Zusatzgewichtsglieds und der Schalldruckvarianz in einem Frequenzbereich mit abfallendem Schalldruck; und
17 veranschaulicht grafisch die Beziehungen zwischen den Elastizitätsmodulen von Zusatzgewichtsgliedern und den Frequenzvarianzen der sekundären Resonanzfrequenz mit dem Flächenverhältnis des Zusatzgewichtsglieds als Parameter.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNGEN BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die 1 bis 7 veranschaulichen einen auf einer Oberfläche montierbaren piezoelektrischen elektroakustischen Wandler gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Der dem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel entsprechende elektroakustische Wandler kann eine Breitbandstimme mit nahezu flacher Schalldruckcharakteristik im menschlichen Stimmfrequenzband (etwa 300 Hz bis etwa 3,4 kHz) wie ein piezoelektrischer Empfänger wiedergeben und enthält eine laminierte piezoelektrische Membran 1, einen Harzfilm 10, eine Ummantelung 20 und einen Deckel 30. Die Ummantelung 20 und der Deckel 30 definieren ein Gehäuse.
Wie die 6 und 7 zeigen, ist die Membran 1 bevorzugt durch Laminieren zweier piezoelektrischer Keramiklagen 1a und 1b gebildet und hat Hauptflächenelektroden 2 und 3, die auf der oberen und unteren Hauptfläche der Membran gebildet sind, und die Keramiklagen 1a und 1b haben eine dazwischen liegende Innenelektrode 4. Die zwei Keramiklagen 1a und 1b sind in derselben Dickenrichtung polarisiert, wie die in den Figuren angedeuteten dicken Pfeile zeigen. Die Hauptflächenelektroden 2 und 3, die jeweils eng an der Deck- und Bodenfläche anliegen, sind so angeordnet, dass sie etwas kürzer als die Länge einer Seite der Membran 1 sind, und ihr eines Ende ist mit einer Endflächenelektrode 5 verbunden, die an einer Endfläche der Membran 1 angeordnet ist. Auf diese Weise sind die Hauptflächenelektroden 2 und 3 auf der Deck- und Bodenseite der Membran 1 miteinander verbunden. Die Innenelektrode 4 ist bevorzugt im Wesentlichen symmetrisch zu den Hauptflächenelektroden 2 und 3 und hat ein von der Endflächenelektrode 5 abgesetztes Ende und ein anderes mit einer an der anderen Endfläche der Membran 1 angeordneten Endflächenelektrode 6 verbundenes anderes Ende. Die Membran 1 hat auch Hilfselektroden 7, die auf der Deck- und Bodenfläche an ihrem anderen Endabschnitt angeordnet und mit der Endflächenelektrode 6 verbunden sind. Die Hilfselektroden 7 können streifen- oder riemenförmige Elektroden mit konstanter Breite oder Partialelektroden sein, die so angeordnet sind, dass sie lediglich einem Ausschnitt 8b und einem anderen (nicht gezeigten) Ausschnitt entsprechen, der später beschrieben wird.
In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen die Keramiklagen 1a und 1b bevorzugt aus Bleizirkonattitanat-(PZT)-Keramik, die z. B. eine im Wesentlichen quadratische Form mit einer Seitenlänge von etwa 7 mm mal etwa 8 mm und einer Dicke von etwa 15 μm pro Lage (etwa 30 μm insgesamt) hat.
Die Membran 1 hat jeweils eine auf ihrer Deck- und Bodenfläche angeordnete Harzlage 8 und 9, die die Hauptflächenelektroden 2 und 3 bedecken. Die Harzlagen 8 und 9 sind so angeordnet, dass sie Schutzlagen bilden, um die Membran 1 vor einem Bruch infolge eines Stoßes zu schützen und werden je nach Bedarf wahlweise eingesetzt. Die Harzlage 8 auf der Vorderseite hat einen Ausschnitt 8a und den Ausschnitt 8b, die an den mittleren Abschnitten von zwei einander entgegengesetzten Seiten der Harzlage 8 gebildet ist, wo die Hauptflächenelektrode 2 und die eine Hilfselektrode 7 jeweils frei liegen. Auch die Harzlage 9 auf der Rückseite hat den (nicht gezeigten) anderen Ausschnitt, der so gebildet ist, dass er dem Ausschnitt 8b gegenüber liegt, an dem die andere Hilfselektrode 7 frei liegt.
Die Harzlagen 8 und 9 dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels bestehen bevorzugt aus einem Polyamidimidharz mit einer Dicke von etwa 5 μm bis etwa 10 μm.
Die Membran 1 ist mit einem Klebstoff 11 im Wesentlichen mit dem zentralen Abschnitt der Vorderseite des im Wesentlichen rechtwinkligen Harzfilms 10 verbunden, der länger ist als die Membran 1. Der Klebstoff 11 ist z. B. ein Epoxidklebstoff.
Der Harzfilm 10 ist bevorzugt dünner als die piezoelektrische Membran und besteht bevorzugt aus einem Harzmaterial, dessen Young-Zahl in einem Bereich von etwa 500 MPa bis etwa 15000 MPa liegt. Wünschenswert ist es, dass der Harzfilm 10 wärmewiderstandsfähig mindestens bis zur Aufschmelzlöttemperatur (z. B. etwa 300°C) ist. Genauer besteht der Harzfilm 10 bevorzugt z. B. aus Epoxid-, Acryl-, Polyimid- oder Polyamidimid-Harz.
Der in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendete Harzfilm 10 besteht bevorzugt aus einem im Wesentlichen quadratischen Polyimidfilm mit einer beispielhaften Seitenlänge von etwa 10 mm, eine Dicke von etwa 7,5 μm und einer Young-Zahl von z. B. 3400 MPa.
Das Größenverhältnis (Flächenverhältnis) der piezoelektrischen Membran 1 zum Harzfilm 10 ist bestimmend für die Schalldruckcharakteristik. Die Erfinder haben erkannt, dass die Schalldruckcharakteristik dann am zufriedenstellendsten ist, wenn das Flächenverhältnis der piezoelektrischen Membran 1 zu dem Harzfilm 10 im Bereich von etwa 40% bis etwa 70% liegt und dass, wenn das Flächenverhältnis kleiner als etwa 40% oder größer als etwa 70% ist, der Schalldruck nachläßt. Mit dieser Erkenntnis ist es bevorzugt, dass das Flächenverhältnis der piezoelektrischen Membran 1 zum Harzfilm 10 im Bereich von etwa 40% bis etwa 70% liegt.
8 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Flächenverhältnis der auf einem im Wesentlichen quadratischen Harzfilm 10 mit einer Seitenlänge von etwa 10 mm befestigten piezoelektrischen Membran 1 und dem relativen Schalldruck (in dB) derselben. Ein relativer Schalldruck ist als ein umgewandel ter Schalldruckwert definiert, der zu 0 dB gesetzt wird, wenn die piezoelektrische Membran 1 einem Verformungsvolumen von annähernd 1 × 10^–6 m³ bei 100 Hz unterworfen wird.
Aus der Figur erkennt man ohne Schwierigkeiten, dass der relative Schalldruck, wenn das Flächenverhältnis der piezoelektrischen Membran 1 im Bereich von 40% bis 70% liegt, größer als 0 dB ist und dass die Schalldruckcharakteristik somit zufriedenstellend ist. Andererseits hat der relative Schalldruck, wenn das Flächenverhältnis kleiner als 40% oder größer als 70% ist, die Tendenz, steiler oder schneller anzuwachsen. Da die größte Verformung der piezoelektrischen Membran 1 bei 100 Hz erreicht wird, wenn das Flächenverhältnis etwa 55% beträgt, ist vom Standpunkt der Schalldruckcharakteristik das optimale Flächenverhältnis der Membran 1 etwa 55%.
Der Harzfilm 10 hat wellige Abschnitte 12, die aus ihm an seinem äußeren peripheren Abschnitt gebildet sind, der von der Membran 1 nach außen ragt. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jeweils ein welliger Abschnitt 12 längs jeder Seite des Harzfilms 10 mit Ausnahme ihres zentralen Abschnitts gebildet, d. h. über die vier Ecken so, dass er wie ein Buchstabe L geformt ist. Jeder wellige Abschnitt 12 hat eine in Richtung der Vorderseite und Rückseite des Harzfilms 10 gewellte Form und baut Spannungen ab, die auf den Harzfilm 10 in seiner Oberflächenrichtung einwirken. Obwohl der wellige Abschnitt 12 in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine nach oben vorstehende Form mit einer Breite von etwa 0,5 mm und einer Tiefe von etwa 0,2 mm hat, kann er auch eine nach unten vorstehende Form haben oder wie eine Wellplatte geformt sein, die sich wiederholt nach oben und unten wellt. Zusätzlich kann er im Querschnitt domartig gekrümmt sein. Wie später beschrieben wird, ist es, obwohl der Harzfilm 10 mit der Halterung 20f der Ummantelung 20 in der Nähe seiner vier Ecken verbunden ist, zu bevorzugen, dass die welligen Abschnitte 12 wenigstens an den oben genannten Verbindungsabschnitten vorhanden sind.
Wenn die welligen Abschnitte 12, wie oben beschrieben, partiell vorgesehen sind, sind sie bevorzugt entlang wenigstens 30% des Umfangs der Ummantelung 20 angeordnet, um den beabsichtigten spannungsabbauenden Effekt zu erreichen.
Die Ummantelung 20 besteht bevorzugt aus einem isolierenden Material, wie z. B. Keramik, Harz oder Epoxidglas, und nimmt die Form eines kubischen Kastens mit einer Bodenwand 20a und vier Seitenwänden 20b bis 20e an. Für den Fall, dass die Ummantelung 20 aus Harz besteht, ist ein gegen das Aufschmelzlöten wärmewiderstandsfähiges Harz, wie z. B. Flüssigkristallpolymer (LCP), ein syndiotaktisches Polystyrol (SPS), ein Polyphenylsulfid (PPS) oder Epoxidharz erwünscht. Die vier Seitenwände 20b bis 20e haben die umfassende Halterung 20f, die an ihrem Innenumfang so angeordnet ist, dass sie die Unterseite des Außenumfangs des Harzfilms 10 haltert, und die zwei einander entgegengesetzten Seitenwände 20b und 20d haben jeweils Innenverbinder 21a und 22a von einem Paar von Anschlüssen 21 und 22, die zur Nachbarschaft der Halterung 20f, die sich innerhalb der Seitenwände 20b und 20d erstreckt, frei liegen. Die Anschlüsse 21 und 22 sind bevorzugt so angegossen, dass sie in die Ummantelung 20 einfügbar sind und haben jeweils äußere Verbinder 21b und 22b, die aus der Ummantelung 20 nach außen vorsteht und zum Boden der Ummantelung 20 so abgebogen sind, dass sie sich entlang der Außenflächen der Seitenwände 20b und 20d erstrecken. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Innenverbinder 21a und 22a der Anschlüsse 21 und 22 jeweils so gegabelt, dass sich die gegabelten Innenverbinder 21a und 22a in die Nähe der Ecken des Gehäuses 20 erstrecken.
Obwohl die Halterung 20f entlang des gesamten Innenumfangs der Ummantelung 20 so gebildet ist, dass sie den gesamten Außenumfang des Harzfilms 10 haltert, kann sie auch partiell so angeordnet sein, dass sie nur die Unterseiten der vier Ecken des Harzfilms 10 haltert.
Die Ummantelung 20 hat Führungen 20g, die außerhalb der Halterung 20f und innerhalb der vier Seitenwände 20b bis 20e so angeordnet sind, dass sie die äußere Peripherie des Harzfilms 10 führen. Jede Führung 20g hat eine schräge Oberfläche, die sich allmählich nach innen und unten neigt und auf ihrer jeweiligen Innenfläche so geformt ist, dass der Harzfilm 10 entlang der schrägen Oberflächen geführt wird und dadurch genau auf die Halterung 20f aufsetzbar ist. Wie 3 zeigt, ist die Halterung 20f so gebildet, dass sie um eine Stufe tiefer liegt als die Innenverbinder 21a und 22a der Anschlüsse 21 und 22. Mit dieser Struktur schließt, wenn der Harzfilm 10 auf der Halterung 20f liegt, die obere Fläche der Membran 1 im Wesentlichen bündig mit den Oberseiten der Innenverbinder 21a und 22a der Anschlüsse 21 und 22 ab.
Das Gehäuse 20 hat auch ein erstes Schallloch 20h, das an einem Abschnitt der Bodenwand 20a in der Nähe der Seitenwand 20c gebildet ist.
Die Membran 1 ist mit dem Harzfilm 10 in der Ummantelung 20 aufgenommen, wobei der Umfang des Harzfilms 10 auf der Halterung 20f der Ummantelung 20 liegt. Dann weisen die Innenverbinder 21a und 22a der Anschlüsse 21 und 22 und Teile des Harzfilms 10, die den Innenverbindern 21a und 22a gegenüber liegen, elastische Klebstoffe 13 auf, die dazwischen so eingebracht sind, dass der Harzfilm 10 durch Verklebung am Gehäuse 20 befestigt ist. Die elastischen Klebstoffe 13 haben im gehärteten Zustand eine kleinere Young-Zahl als elektrisch leitende Klebstoffe 14, wie dies später beschrieben wird. Z. B. kann bevorzugt Urethanklebstoff mit einer Young-Zahl von etwa 3,7 × 10⁶ Pa verwendet werden. Jeder elastische Klebstoff 13 wird bevorzugt so aufgebracht, dass er eine angehäufte Form wie ein Wall bildet.
Nachdem der Harzfilm 10 an der Ummantelung 20 befestigt ist, werden die zwei elektrisch leitenden Klebstoffe 14 zwischen der am Ausschnitt 8a frei liegenden Hauptflächenelektrode 2 und dem Innenverbinder 21a des Anschlusses 21 und zwischen der am Ausschnitt 8b frei liegenden Hilfselektrode 7 und dem Innenverbinder 22a des Anschlusses 22 so aufgebracht, dass sie eine gekröpfte L Form bilden. Z. B. ragt der eine elektrisch leitende Klebstoff 14 durch eine der Leerstellen 12a, wo der entsprechende wellige Abschnitt 12 des Harzfilms 10 nicht vorhanden ist, nach außen und krümmt sich um die Außenseite des welligen Abschnitts 12, wobei beide Enden des elektrisch leitenden Klebstoffs 14 jeweils auf die Hauptflächenelektrode 2 und den Innenverbinder 21a aufgebracht werden. In diesem Zustand verlieren die welligen Abschnitte 12 ihre spannungsabsorbierende Wirkung nicht, da die elektrisch leitenden Klebstoffe 14 nicht auf sie aufgebracht sind. Da außerdem jeder elektrisch leitende Klebstoff 14 auf den entsprechenden elastischen Klebstoff 13, der die wallartige angehäufte Form hat, aufgebracht wird, wird auf den Harzfilm 10 durch den elektrisch leitenden Klebstoff 14 keine durch dessen Schrumpfen bewirkte Spannung oder einengende Kraft ausgeübt.
Gleichermaßen ragt der andere elektrisch leitende Klebstoff 14 durch die entsprechende Leerstelle 12a, wo der entsprechende wellige Abschnitt 12 des Harzfilms 10 nicht vorhanden ist, krümmt sich um die Außenseite des welligen Abschnitts 12 und überlagert die elastischen Klebstoffe 13, wobei beide Enden des anderen elektrisch leitenden Klebstoffs 14 jeweils auf die entsprechende Hilfselektrode 7 und den Innenverbinder 22a aufgebracht sind.
Bevorzugt sind die elektrisch leitenden Klebstoffe 14 eine elektrisch leitende Paste, die nach dem Härten eine kleine Young-Zahl hat, um keine einengende Verformung auf den Harzfilm 10 zu übertragen. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist bevorzugt eine elektrisch leitende Urethanpaste eingesetzt, deren Young-Zahl nach dem Härten etwa 0,3 × 10⁹ Pa beträgt. Wenn die elektrisch leitenden Klebstoffe 14 durch die aufgebrachte Wärme gehärtet sind, sind die Hauptflächenelektrode und der Innenverbinder 21a des Anschlusses 21 sowie auch die entsprechende Hilfselektrode 7 und der Innenverbinder 22a des Anschlusses 22 jeweils elektrisch miteinander verbunden.
Nachdem die Membran 1 und die Innenverbinder 21a und 22a der Anschlüsse 21 und 22 miteinander verbunden sind, wird elastisches Dichtungsmittel 15 zwi schen den Umfang des Harzfilms 10 und dem Innenumfang der Ummantelung 20 so eingebracht, dass der Raum zwischen dem Harzfilm 10 und der Ummantelung 20 abgedichtet ist. Bevorzugt ist für das elastische Dichtungsmittel 15 ein elastischer Klebstoff, dessen Young-Zahl so klein wie möglich ist, damit der Harzfilm 10 nicht verformt wird. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird bevorzugt ein Silikonklebstoff mit einer Young-Zahl von etwa 3,0 × 10⁵ Pa nach dem Härten eingesetzt.
Nachdem die Membran 1 mit dem Harzfilm 10 an der Ummantelung 20 in der oben beschriebenen Weise angebracht ist, wird der Deckel 30 mit der oberen Öffnung der Ummantelung 20 durch einen Klebstoff 31 verbunden. Da der Deckel 30 aus einem ähnlichen Material wie die Ummantelung 20 besteht, schließen nach der Verbindung des Deckels 30 mit der Ummantelung 20 der Deckel 30 und die Membran 1 zwischen sich einen akustischen Raum ein. Der Deckel 30 hat ein zweites darin gebildetes Schallloch 32.
Der oberflächenmontierbare piezoelektrische elektroakustische Wandler wird in der oben beschriebenen Weise fertig gestellt.
In dem dem bevorzugten Ausführungsbeispiel entsprechenden elektroakustischen Wandler zieht sich, wenn eine vorbestimmte Wechselspannung zwischen den Anschlüssen 21 und 22 angelegt wird, die eine piezoelektrische Keramiklage, deren Polarisationsrichtung und Richtung des elektrischen Feldes die gleichen wie die der Membran 1 sind, in Richtungen entlang ihrer Oberfläche zusammen, und die andere piezoelektrische keramische Lage, deren Polarisationsrichtung und Richtung des elektrischen Feldes entgegengesetzt zu der der Membran 1 sind, dehnt sich in Richtung ihrer Oberfläche aus, so dass sich die gesamte Membran 1 in ihrer Dickenrichtung verbiegt.
Die piezoelektrische Membran 1 ist auf dem Harzfilm 10, der größer ist als sie selbst, befestigt, und der Außenumfang des Harzfilms 10, auf dem keine Membran 1 befestigt ist, wird von der Halterung 20f der Ummantelung 20 gehaltert, wodurch die Verformung der Membran 1 nicht stark eingeschränkt wird. Als Ergebnis kann die Resonanzfrequenz der Membran 1, auch wenn ihre Dimensionen denen einer herkömmlichen Membran entsprechen, kleiner gemacht werden und außerdem ihre Verformung auf Grund der verringerten einschränkenden Haltekräfte vergrößert werden, wodurch ein höherer Schalldruck erreicht wird.
Die 9(a) und 9(b) sind Vergleichsdiagramme der Schalldruckcharakteristiken zweier elektroakustischer Wandler vor und nach dem Aufschmelzlöten, wobei die 9(a) einen elektroakustischen Wandler mit einer piezoelektrischen Membran mit einem Harzfilm ohne wellige Abschnitte und 9(b) den elektroakustischen Wandler mit piezoelektrischer Membran mit Harzfilm zeigt, der wellige Abschnitte gemäß den 4 und 5 aufweist.
Diese Figuren machen deutlich, dass in dem Fall, wo keine welligen Abschnitte vorgesehen sind, der Schalldruckpegel bei der Grundresonanzfrequenz (etwa 300 Hz) nach dem Aufschmelzlöten anwächst und dass die Grundresonanzfrequenz auch zu höheren Frequenzen hin variiert. Außerdem variiert die sekundäre Resonanzfrequenz (bei etwa 2500 Hz) etwas zu höherer Frequenz hin.
Im Gegensatz dazu variieren in dem Fall, wo die welligen Abschnitte vorgesehen sind, weder die Grundresonanzfrequenz noch die sekundäre Resonanzfrequenz nennenswert, und außerdem verändert sich der Schalldruckpegel vor und nach dem Aufschmelzlöten nur wenig, wodurch eine sehr stabile Schalldruckcharakteristik erreicht ist.
Die 10(a) bis (c) veranschaulichen andere Beispiele von piezoelektrischen Membranen mit einem Harzfilm, wobei 10(a) eine piezoelektrische Membran mit einer Struktur zeigt, bei der der wellige Abschnitt 12 längs des Umfangs des Harzfilms 10 angeordnet ist; 10(b) veranschaulicht eine weitere piezoelektrische Membran mit einer Struktur, bei der die welligen Abschnitte 12 längs der vier Seiten des Harzfilms 10 mit Ausnahme des mittleren Ab schnitts jeder Seite und der vier Ecken des Harzfilms 10 angeordnet sind; und 10(c) veranschaulicht eine weitere piezoelektrische Membran mit einer Struktur, bei der die welligen Teile 12 entlang den vier Seiten des Harzfilms 10 mit Ausnahme der vier Ecken des Harzfilms 10 angeordnet sind.
In jedem Fall lassen sich mit dem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung dieselben Vorteile erzielen, wie in den ersten bevorzugten Ausführungsbeispielen.
11 veranschaulicht einen mit einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung übereinstimmenden elektroakustischen Wandler.
In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein aus einem zähelastischen Material bestehendes Zusatzgewichtsglied 40 lediglich der piezoelektrischen Membran 1 hinzugefügt.
Das Zusatzgewichtsglied 40 besteht bevorzugt aus einem Material, wie z. B. Silikonklebstoff, dessen Young-Zahl im gehärteten Zustand nicht größer als etwa 10 MPa ist.
12 veranschaulicht ein Vergleichsdiagramm der Schalldruckcharakteristiken der piezoelektrischen Membranen mit dem Harzfilm (gemessen mit einem verlustarmen Koppler gemäß den in ITU-T3.2 vorgeschlagenen Messbedingungen). In dem Diagramm stellt (a) die Schalldruckcharakteristik der Membran gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel dar und zeigt, dass der erreichte Schalldruck eine nahezu flache Charakteristik in einem Frequenzbereich von der Grundresonanzfrequenz zur sekundären Resonanzfrequenz hat und somit eine Breitbandstimme wiedergibt. Da diese Charakteristik unglücklicherweise einen unterhalb der sekundären Resonanzfrequenz liegenden Frequenzbereich (etwa 1 kHz bis 2 kHz) hat, wo der Schalldruck abfällt, ist es wünschenswert, einen solchen Abfall des Schalldrucks so weit wie möglich zu verhindern.
Aus diesem Grund wird im zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel das aus zähelastischem Material bestehende Zusatzgewichtsglied 40 nur der piezoelektrischen Membran 1 so hinzugefügt, dass die sekundäre Resonanzfrequenz abgesenkt und die Verringerung des Schalldrucks im Frequenzbereich unterhalb der sekundären Resonanzfrequenz kleiner wird. In diesem Fall braucht die obige Anordnung die Grundresonanzfrequenz und den dabei erreichten Schalldruck nicht zu beeinflussen.
In dem Diagramm in 12 sind in Form der Kurven (b) und (c) jeweils die Schalldruckcharakteristiken der Membranen gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel mit hinzugefügten Massenverhältnissen von etwa 0,18 und etwa 0,58 dargestellt. Das Massenverhältnis des Zusatzgewichts ist durch die folgende Beziehung gegeben: hinzugefügtes Massenverhältnis = Masse des Zusatzgewichts/Masse von (Harzfilm + Klebstoff + Membran + Harzlagen)
12 zeigt, dass bei größer werdendem Massenverhältnis des Zusatzgewichtsglieds die sekundäre Resonanzfrequenz kleiner wird und ein Abfall des Schalldrucks im Frequenzbereich von etwa 1 kHz bis etwa 2 kHz verringert ist und somit die Schalldruckcharakteristik in diesem Frequenzbereich verbessert und flacher gemacht ist. Wenn allerdings das zugefügte Massenverhältnis übermäßig groß wird, verringert sich der Schalldruck im Frequenzbereich unterhalb der Grundresonanzfrequenz, da eine Erhöhung des zugefügten Gewichts wahrscheinlicher die Verformung der piezoelektrischen Membran 1 beschränkt.
Die 13 und 14 veranschaulichen jeweils die Beziehungen zwischen dem Massenverhältnis des Zusatzgewichtsglieds und der Varianz der Grundresonanzfrequenz und zwischen dem Massenverhältnis des Zusatzgewichtsglieds und der Varianz der sekundären Resonanzfrequenz.
Wenn das Massenverhältnis durch das Zusatzgewichtsglied anwächst, erhöht sich die Grundresonanzfrequenz leicht, während sich die sekundäre Resonanzfrequenz verringert.
15 stellt die Beziehung zwischen dem hinzugefügten Massenverhältnis und der Schalldruckvarianz bei 100 Hz dar, und 16 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Massenverhältnis des Zusatzgewichtsglieds und der Schalldruckvarianz in dem Frequenzbereich mit abgefallenem Schalldruck.
Wie diese Figuren zeigen, verringert sich der Schalldruck bei 100 Hz mit wachsendem Zusatzgewicht, während sich der Schalldruck in dem Frequenzbereich mit dem Schalldruckabfall erhöht. Mit größer werdendem Massenverhältnis des Zusatzgewichts wird eine Verringerung des Schalldrucks immer wahrscheinlicher, und auch die sekundäre Resonanzfrequenz wird mit geringer Wahrscheinlichkeit kleiner, wenn das Massenverhältnis des Zusatzgewichtsglieds größer als etwa 0,4 oder dergleichen wird. Mit diesem Ergebnis ist das bevorzugte Massenverhältnis des Zusatzgewichtsglieds nicht größer als etwa 0,4.
Bevorzugt besteht das Zusatzgewichtsglied aus einem gering elastischen terial, um die sekundäre Resonanzfrequenz abzusenken. Wenn das Gewichtsglied dagegen aus einem hochelastischen Material besteht, stellt sich eine Erhöhung des Elastizitätsmoduls der Membran ein und verursacht die Erhöhung der Resonanzfrequenz. 17 veranschaulicht die Beziehungen zwischen den Elastizitätsmodulen (Young-Zahlen) von Zusatzgewichtsgliedern mit derselben Masse und entsprechenden Frequenzänderungen der sekundären Resonanzfrequenz, wobei das Verhältnis der Fläche jedes Zusatzgewichtsglieds zu der der Membran als veränderlicher Parameter enthalten ist.
Gemäß 17 hat die sekundäre Resonanzfrequenz die Tendenz sich zu erhöhen, wenn der Elastizitätsmodul 10 MPa überschreitet. Außerdem wird die sekundäre Resonanzfrequenz tatsächlich geringer, je größer das Zusatzgewichts-Flächenverhältnis ist.
Das Zusatzgewichtsglied kann einfach beispielsweise durch Abscheiden aufgebracht werden.
Diese Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt und kann im Umfang der beiliegenden Patentansprüche modifiziert werden.
Obwohl jede mit den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen übereinstimmende piezoelektrische Membran bevorzugt durch Laminieren zweier piezoelektrischer Keramiklagen gebildet ist, kann sie auch durch Laminieren von drei oder mehr piezoelektrischen Keramiklagen gebildet werden. In diesem Fall dient bzw. dienen die Zwischenlage(n) als Blindlage, die keine quadratischen Vibrationen erzeugt bzw. erzeugen.
Außerdem ist diese Erfindung nicht auf die Struktur beschränkt, bei der eine einzige piezoelektrische Membran auf einer Fläche eines Harzfilms befestigt ist und kann eine Struktur haben, bei der zwei piezoelektrische Membranen auf der Vorder- und Rückseite des Harzfilms befestigt sind.
Das Gehäuse ist bei dieser Erfindung nicht auf eine Struktur beschränkt, die aus einer gepressten Ummantelung und einem flachen Deckel gebildet ist. Z. B. kann das Gehäuse eine Struktur haben, bei der eine gepresste Ummantelung und ein gepresster Deckel einander gegenüber liegen und miteinander verbunden sind oder alternativ eine andere Struktur, bei der die piezoelektrische Membran mit einem Film im Inneren eines im Wesentlichen rechtwinkligen Rahmens mit einer Halterung befestigt ist und der Rahmen Deckel hat, die auf seiner Vorder- und Rückseite befestigt sind. Außerdem kann das Gehäuse eine andere Struktur haben, bei der eine Halterung auf einer flachen Platte angeord net ist und die piezoelektrische Membran mit einem Harzfilm auf der Halterung befestigt und von oben von einem Deckel bedeckt ist.
Der Harzfilm kann am Gehäuse durch Ultraschallschweißen oder Wärmeschweißen statt Verklebung befestigt sein.
Die Anschlüsse dieser Erfindung sind nicht auf die durch Guss gebildeten beschränkt, so dass sie in den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen einfügbar sind, und die Anschlüsse können z. B. Dünnfilm- oder Dickfilmelektroden sein, die von der Oberseite der Halterung des Gehäuses nach außen ragen.
Diese Erfindung wurde bezogen auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Die Fachleute werde jedoch ohne weiteres erkennen, dass die offenbarte Erfindung in verschiedenartiger Weise modifiziert werden kann und viele Ausführungsformen annehmen kann, die sich von den oben umrissenen und genau beschriebenen unterscheiden. Somit ist diese Erfindung lediglich durch den Inhalt der beiliegenden Patentansprüche beschränkt.

Claims

Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler, gekennzeichnet durch: eine rechtwinklige piezoelektrische Membran (1), die eine H Innenelektrode (4), mehrere laminierte piezoelektrische Keramiklagen (1a, 1b), wobei die Innenelektrode (4) jeweils zwischen zwei der piezoelektrischen Keramiklagen (1a, ab) eingefügt ist, und Hauptflächenelektroden (2, 3) enthält, die auf der oberen und unteren Hauptfläche der piezoelektrischen Membran (1) angeordnet sind, wobei die piezoelektrische Membran (1) Oberflächenbiegevibrationen in Reaktion auf ein zwischen den Hauptflächenelektroden (2, 3) und der Innenelektrode (4) angelegtes Wechselsignal erzeugt; einen rechtwinkligen Harzfilm (10), der größer als die piezoelektrische Membran (1) ist und auf dessen zentralen Abschnitt seiner Vorderseite die piezoelektrische Membran (1) befestigt ist; und ein Gehäuse (20), das die piezoelektrische Membran (1) und den Harzfilm (10) birgt und das eine Halterung (20f) zum Halten einer Außenperipherie des Harzfilms (10) hat, auf der die piezoelektrische Membran (1) nicht befestigt ist; wobei der Harzfilm (10) wenigstens bis zu einer Aufschmelzlöttemperatur hitzebeständig ist; ein Umfang des Harzfilms (10) einschließlich seiner vier Ecken mit der Halterung (20f) des Gehäuses (20) verklebt ist; die Fläche der piezoelektrischen Membran 40% bis 70% der Fläche desjenigen Bereichs des Harzfilms (10) beträgt, der nicht mit der Halterung (20f) verklebt ist; und der Harzfilm (10) wenigstens einen welligen Abschnitt (12) hat, der zur Vorderseite und zur Rückseite des Harzfilms (10) hin gewellt ist und an dessen Peripherie, auf der die piezoelektrische Membran (1) nicht befestigt ist und innerhalb des Außenumfangs des Harzfilmes (10) angeordnet ist, der mit der Halterung (20f) verklebt ist.
Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine wellige Abschnitt (12) entlang des Außenumfangs des Harzfilms (10) angeordnet ist.
Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine wellige Abschnitt (12) längs jeder Seite des Randbereiches des Harzfilms (10) angeordnet ist mit Ausnahme eines zentralen Abschnitts auf wenigstens einer dieser Seiten des Randbereiches des Harzfilms (10) und dass auf den zentralen Abschnitt wenigstens einer dieser Seiten des Randbereiches des Harzfilms (10), wo die entsprechenden welligen Abschnitte (12) nicht liegen, aufgebrachte elektrisch leitende Klebstoffe (14) Elektroden der piezoelektrischen Mem bran (1) mit entsprechenden im Gehäuse (20) angeordneten Anschlüssen (21, 22) verbinden.
Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrischen Membran (1) ein aus einem zähelastischem Material bestehendes Zusatzgewichtsglied (40) hinzugefügt ist.
Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Masse des Zusatzgewichtsglieds (40) zur Gesamtmasse der piezoelektrischen Membran (1) einschließlich des Harzfilms (10) nicht größer als 0,4 ist.
Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Young-Zahl des Zusatzgewichtsglieds (40) nicht größer als 10 MPa ist.
Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren piezoelektrischen keramischen Lagen (1a, 1b) in einer gemeinsamen Richtung ihrer Dicke polarisiert sind.
Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptflächenelektroden (2, 3) kürzer als die Länge einer Seite der piezoelektrischen Membran (1) sind.
Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren laminierten piezoelektrischen Keramiklagen (1a, 1b) quadratische Form haben.
Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er außerdem Harzlagen (8, 9) aufweist, die auf der Ober- und Unterseite der piezoelektrischen Membran (1) so angeordnet sind, dass sie deren Hauptflächenelektroden (2, 3) bedecken.