DE102004056200A1

DE102004056200A1 - Elektroakustischer Wandler

Info

Publication number: DE102004056200A1
Application number: DE200410056200
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Hillenbrand; Gerhard M. Prof. Dr. Sessler; Xiaoqing Dr. Zhang
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2004-11-22
Filing date: 2004-11-22
Publication date: 2006-06-01
Also published as: WO2006053528A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler, umfassend zumindest ein erstes piezoelektrisches Element und zumindest ein elektrisch mit dem ersten piezoelektrischen Element in Reihe geschaltetes, zweites piezoelektrisches Element, wobei die Geometrie des ersten und des zweiten piezoelektrischen Elementes zur Erzeugung elektrischer Signale mittels einer zumindest bereichsweisen Beaufschlagung mit Schallwellen veränderbar ist, wobei das erste und das zweite piezoelektrische Element jeweils zumindest einen ersten Entkopplungsbereich aufweisen und das erste piezoelektrische Element zumindest in dem ersten Entkopplungsbereich zumindest bereichsweise mechanisch von zumindest dem ersten Entkopplungsbereich des zweiten piezoelektrischen Elementes entkoppelt ist und sowohl das erste als auch das zweite piezoelektrische Element jeweils zumindest in dem ersten Entkopplungsbereich zumindest bereichsweise unmittelbar mit Schallwellen beaufschlagbar sind, sowie die Verwendung des erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler, umfassend zumindest ein erstes piezoelektrisches Element und zumindest ein elektrisch mit dem ersten piezoelektrischen Element in Reihe geschaltetes, zweites piezoelektrisches Element, wobei die Geometrie des ersten und des zweiten piezoelektrischen Elementes zur Erzeugung elektrischer Signale mittels einer zumindest bereichsweisen Beaufschlagung mit Schallwellen veränderbar ist, sowie die Verwendung eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene elektroakustische Wandler, insbesondere unter Verwendung von piezoelektrischen Elementen bekannt. So offenbart die US 4,670,074 einen gattungsgemäßen elektroakustischen Wandler, nämlich einen piezoelektrischen Polymerumformer, und ein Verfahren zur Herstellung desselben. In diesem Wandler wird zumindest eine Lage einer polymerischen Substanz verwendet, die dazu geeignet ist, piezoelektrische Eigenschaften auszubilden, wenn sie in Anwesenheit eines elektrischen Feldes an ein leitfähiges Material, das als Elektrode wirkt, laminiert wird. Gemäß der US 4,670,074 ist auch das leitfähige Material eine polymerische Substanz. Um eine Erhöhung der Empfindlichkeit des Umformers zu erreichen, ist vorgesehen, daß ein Umformer aus zwei Blättern besteht, die jeweils metallisierte Oberflächen und eine Zwischenelektrode aufweisen, wobei die Blätter zusammengeschweißt bzw. miteinander verbunden sind. Durch eine Verbiegung der Blätter bei einem Auftreffen von Schallwellen werden durch die mit der Verbiegung einhergehenden Längenänderungen der Blätter aufgrund des pizoelektrischen Effekts in die sogenannte d₃₁-Richtung elektrische Signale generiert.

Des Weiteren ist aus dem Artikel „Ferroelectrets: Soft Electroactive Foams for Transducers", Physics Today, Februar 2004, Seiten 37 bis 43, sowie dem Artikel „New piezoelectic polymer for air-borne and water-borne sound transducers", Journal of Acoustic Society of America, April 2001, Seiten 1412 bis 1416, die Verwendung von zellularen Polymermaterialien beim Aufbau elektroakustischer Wandler bekannt.

Grundsätzlich wandeln elektroakustische Wandler mechanische Energie, die in Schallwellen enthalten ist, in elektrische Energie um (z.B. Mikrophone) bzw. wandeln elektrische Energie in mechanische Energie, die in Form von Schallwellen emittiert wird, um (z.B. Lautsprecher). Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind elektroakustischen Wandler der ersten Gruppe. Insbesondere die Verwendung von zellularen piezoelektrischen Polymerfolien führt zu einem einfachen und kostengünstigen Aufbau des elektroakustischen Wandlers, insbesondere im Vergleich zu dynamischen Mikrophonen, keramischen Mikrophonen, Kondensatormikrophonen und Elektretmikrophonen. Die Qualität eines elektroakustischen Wandlers hängt ferner insbesondere von den Kenngrößen Empfindlichkeit, Eigengeräuschpegel, Klirrfaktor und Linearität ab. Bei Einsatz von zellularen piezoelektrischen Polymerfolien als piezoelektrische Elemente in einem elektroakustischen Wandler werden diese Kenngrößen wesentlich durch die Folieneigenschaften bestimmt. Es hat sich gezeigt, daß der Klirrfaktor und die Linearität des elektroakustischen Wandlers im wesentlichen durch Optimierung der Folieneigenschaften und des verwendeten Folienmaterials optimiert werden kann. Dagegen sind bei der Optimierung der Empfindlichkeit und des Eigengeräuschpegels des elektroakustischen Wandlers, insbesondere bei Verwendung von piezoelektrischen Folien, auch sich gegenseitig beeinflussende Faktoren zu beachten.

Bei Einsatz eines piezoelektrischen Elementes wird der auf das piezoelektrische Element einwirkende Schallwechseldruck mittels des piezoelektrischen Effekts in eine zum Druck proportionale Wechselspannung umgewandelt. Grundsätzlich wird dabei angestrebt, daß die von dem piezoelektrischen Element aufgrund des Schallwechseldrucks erzeugte Wechselspannung so hoch wie möglicht ist, um die Empfindlichkeit des elektroakustischen Wandlers so groß wie möglich zu gestalten und den Eigengeräuschpegel des elektroakustischen Wandlers zu minimieren.

Um die Empfindlichkeit des elektroakustischen Wandlers zu erhöhen und den Eigengeräuschpegel desselben zu reduzieren, ist es aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise aus der zuvor angeführten US 4,670,074 bekannt, mehrere piezoelektrische Elemente in einem elektroakustischen Wandler mechanisch miteinander zu verbinden und elektrisch in Reihe zu schalten. Durch diese elektrische Reihenschaltung summiert sich die Ausgangsspannung der einzelnen piezoelektrischen Elemente zu einer größeren, durch den elektroakustischen Wandler erzeugten Wechselspannung.

Darüber hinaus sollte ein elektroakustischer Wandler neben einer hohen Empfindlichkeit und einem geringen Eigengeräuschpegel in allen Frequenzbereichen, für die der Wandler sensitiv sein soll, einen glatten Frequenzgang aufweisen, d.h. die Ausgangsspannung sollte in allen Frequenzbereichen im wesentlichen linear proportional zum angelegten Schalldruck sein. Dazu sollten insbesondere alle auftretenden Eigenfrequenzen des elektroakustischen Wandlers oberhalb des Frequenzbereiches liegen, für den der Wandler sensitiv sein soll. Werden mehrere piezoelektrische Elemente mechanisch miteinander verbunden und zur Erhöhung der Ausgangsspannung und damit der Empfindlichkeit des elektroakustischen Wandlers elektrisch in Reihe geschaltet, so kommt es jedoch aufgrund der mechanischen Kopplung der piezoelektrischen Elemente, insbesondere in Form von Folien, dazu, daß die piezoelektrischen Elemente sich nicht mehr einzeln, sondern als gekoppeltes System bewegen bzw. schwingen. Im Vergleich zu einem einzelnen piezoelektrischen Element besitzt ein System aus mehreren, mechanisch miteinander gekoppelten piezoelektrischen Elementen eine höhere Masse und somit eine reduzierte Resonanzfrequenz. Bei der Verwendung von piezoelektrischen Folien hat sich gezeigt, daß die Resonanzfrequenz des elektroakustischen Wandlers im wesentlichen umgekehrt proportional zur Anzahl der miteinander mechanisch verbundenen Folien reduziert wird. Dadurch wird der nutzbare Frequenzbereich des elektroakustischen Wandlers bereits bei der mechanischen Kopplung von wenigen piezoelektrischen Elementen deutlich beschränkt. So sind beispielsweise zellulare piezoelektrische Polymerfolien bekannt, die bei größter Empfindlichkeit eine Resonanzfrequenz von ungefähr 100 kHz aufweisen. Soll der elektroakustische Wandler einen flachen Frequenzgang im Hörschallbereich aufweisen, so ist die Resonanzfrequenz des gesamten elektroakustischen Wandlers deutlich oberhalb von 20 kHz zu halten, so daß maximal vier piezoelektrische Polymerfolien durch eine mechanische Kopplung miteinander kombiniert werden können. Soll der durch den elektroakustischen Wandler nutzbare Frequenzbereich in den Ultraschallbereich, insbesondere in einen Frequenzbereich oberhalb von 50 kHz ausgedehnt werden, so ist eine derartige mechanisch gekoppelte Kombination von piezoelektrischen Folien nicht mehr möglich, ohne daß der Frequenzgang und die Empfindlichkeit des Wandlers beeinträchtigt wird, da oberhalb einer Resonanzfrequenz ein steiler Abfall der Empfindlichkeit des elektroakustischen Wandlers auftritt und empfindliche Einzelfolien niedrige Resonanzfrequenzen aufweisen. So erfolgt beispielsweise die Herstellung von zellularen piezoelektrischen Folien auf folgende Weise:
Die Ausgangsfolie des Polymermaterials wird zunächst bidirektional gestreckt, so daß innerhalb des Polymermaterials eine große Anzahl von Hohlräumen gebildet wird. Beispielsweise durch eine Corona-Aufladung werden diese Polymerfolien dann derart elektrisch geladen, daß sich auf gegenüberliegenden Seiten dieser Hohlräume Elektretladungen ausbilden. Treten Schallwellen auf derartige zellulare Polymerfolien, so werden die in der Polymerfolie ausgebildeten Hohlräume komprimiert, es kommt also zu einer Dickenänderung des Folienmaterials. Da das Elastizitätsmodul üblicher Polymermaterialen bei ca. 1 GPa liegt, der Druck innerhalb der Hohlräume dagegen bei 0,1 MPa liegt, werden bei einem Auftreffen von Schallwellen auf die Folie die Hohlräume ca. 10.000 mal stärker komprimiert als das eigentliche Polymermaterial der zellularen Folien. Aufgrund der auf den Hohlraumseiten ausgebildeten Elektretladungen kommt es bei einer Komprimierung der Hohlräume zur Erzeugung der Piezoaktivität und der Abgabe der entsprechenden elektrischen Signale. Im Gegensatz zu bimorphen Materialien, wie sie beispielsweise in dem elektroakustischen Wandler der US 4,670,074 eingesetzt werden, bei denen eine Längenänderung des piezoelektrischen Materials, d.h. einer Änderung der Geometrie in die sogenannte d₃₁-Richtung, zur Erzeugung eines elektrischen Signals führt, kommt es bei der Verwendung von zellularen piezoelektrischen Materialien aufgrund einer Dickenänderung, d.h. einer Änderung der Geometrie des piezoelektrischen Materials in die sogenannte d₃₃-Richtung, zur Erzeugung elektrischer Signale. Um die Empfindlichkeit von zellularen piezoelektrischen Folien zu erhöhen, also die d₃₃-Konstante, d.h. die piezoelektrische Konstante in die d₃₃-Richtung, zu erhöhen, werden die Folien weicher gemacht, indem z.B. durch den Expansionsprozeß die Dicke der Folien weiter vergrößert wird. Weichere Folien, d.h. Folien mit einem kleineren Elastizitätsmodul und einer größeren Dicke, haben aber, da die Masse im Vergleich zu dünneren und steiferen Folien die gleiche ist, eine kleinere Dickenresonanzfrequenz, d.h. eine kleinere Eigenresonanzfrequenz bei Schwingungen in der d₃₃-Richtung. Eine Möglichkeit der Erhöhung der Empfindlichkeit der Folien könnte zwar darin bestehen, die Folien besser und höher aufzuladen, allerdings ist man hier bereits nahe der physikalisch bedingten Grenzen bei zellularen piezoelektrischen Folien angekommen.

Insbesondere die Bereitstellung eines elektroakustischen Wandlers, der einen glatten Frequenzgang bis in den Ultraschallbereich aufweist, ist selbst für die Aufzeichnung von Audiosignalen von Interesse. So gibt es bereits digitale Aufzeichnungsmedien (SACD und DVD-Audio) die im Audiobereich eingesetzt werden und es ermöglichen, daß der aufgezeichnete Frequenzbereich im Vergleich zu den herkömmlichen CDs in den Ultraschallbereich erweitert wird.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen elektroakustischen Wandler derart weiterzuentwickeln, daß die Nachteile des Stands der Technik überwunden werden, insbesondere ein elektroakustischer Wandler bereitgestellt wird, der einfach aufgebaut und somit kostengünstig herstellbar ist und gleichzeitig gute Kenngrößen, insbesondere eine hohe Empfindlichkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das erste und das zweite piezoelektrische Element jeweils zumindest einen ersten Entkopplungsbereich aufweisen und das erste piezoelektrische Element zumindest in dem ersten Entkopplungsbereich zumindest bereichsweise mechanisch von zumindest dem ersten Entkopplungsbereich des zweiten piezoelektrischen Elementes entkoppelt ist und sowohl das erste als auch das zweite piezoelektrische Element jeweils zumindest in dem ersten Entkopplungsbereich zumindest bereichsweise unmittelbar mit Schallwellen beaufschlagbar sind.

Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, daß die Veränderung der Geometrie des ersten und/oder zweiten piezoelektrischen Elementes bei einer Beaufschlagung mit Schallwellen im wesentlichen in einer Dickenänderung des ersten und/oder zweiten piezoelektrischen Elementes besteht.

Bei den beiden vorgenannten Alternativen kann auch vorgesehen sein, daß das erste piezoelektrische Element zumindest in dem ersten Entkopplungsbereich zumindest bereichsweise von dem zweiten piezoelektrischen Element, insbesondere dem ersten Entkopplungsbereich des zweiten piezoelektrischen Elementes, beabstandet ist, wobei vorzugsweise jeweils das erste und/oder das zweite piezoelektrische Element, insbesondere im jeweiligen ersten Entkopplungsbereich im wesentlichen allseitig mit Schallwellen beaufschlagbar ist bzw. sind.

In einer vorteilhaften Weiterentwicklung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, daß das erste und das zweite piezoelektrische Element jeweils zumindest einen ersten Haltebereich aufweisen, wobei das erste piezoelektrische Element mittels zumindest einer ersten Haltevorrichtung zumindest bereichsweise in dem ersten Haltebereich desselben fixierbar ist und das zweite piezoelektrische Element mittels zumindest einer zweiten Haltevorrichtung zumindest bereichsweise in dem ersten Haltebereich desselben fixierbar ist.

Ferner wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß das erste und/oder das zweite piezoelektrische Element jeweils zumindest einen zweiten Haltebereich aufweist bzw. aufweisen, wobei das erste piezoelektrische Element in dem zweiten Haltebereich desselben mittels zumindest einer dritten Haltevorrichtung fixierbar ist und/oder das zweite piezoelektrische Element in dem zweiten Haltebereich desselben mittels zumindest einer vierten Haltevorrichtung fixierbar ist.

Diese Ausführungsform kann dadurch verbessert werden, daß das erste und/oder das zweite piezoelektrische Element eine Vielzahl von zweiten Haltebereichen aufweist bzw. aufweisen und/oder eine Vielzahl von dritten und/oder vierten Haltevorrichtungen vorhanden ist.

Auch wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß das erste und/oder das zweite piezoelektrische Element jeweils zumindest einen zweiten Entkopplungsbereich aufweist bzw. aufweisen, wobei die Geometrie des ersten und/oder des zweiten piezoelektrischen Elementes zumindest bereichsweise zumindest in dem zweiten Entkopplungsbereich desselben zur Erzeugung elektrischer Signale mittels einer Beaufschlagung mit Schallwellen veränderbar ist, insbesondere eine Dickenänderung des ersten und/oder zweiten piezoelektrischen Elementes erzeugbar ist, und vorzugsweise das erste und/oder das zweite piezoelektrische Element zumindest in dem zweiten Entkopplungsbereich desselben zumindest bereichsweise mechanisch von dem zweiten bzw. dem ersten piezoelektrischen Element entkoppelt ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß das erste und das zweite piezoelektrische Element so angeordnet sind, daß zumindest das erste und/oder das zweite piezoelektrische Element jeweils zumindest in dem zweiten Entkopplungsbereich desselben zumindest bereichsweise von dem zweiten bzw. ersten piezoelektrischen Element beabstandet ist bzw. sind, vorzugsweise allseitig unmittelbar mit Schallwellen beaufschlagbar ist bzw. sind.

Auch wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß der erste und/oder der zweite Entkopplungsbereich des ersten und/oder des zweiten piezoelektrischen Elementes größer als der erste und/oder der zweite Haltebereich des ersten bzw. des zweiten piezoelektrischen Elementes ist bzw. sind.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, daß das erste und/oder das zweite piezoelektrische Element zumindest bereichsweise, vorzugsweise zumindest in dem ersten und/oder zweiten Entkopplungsbereich desselben, insbesondere zur Erreichung einer Beabstandung zwischen dem ersten und/oder zweiten piezoelektrischen Element, eine erhöhte Oberflächenrauhigkeit aufweist bzw. aufweisen.

Bevorzugt ist, daß im Bereich des ersten und/oder des zweiten piezoelektrischen Elements zumindest ein Abstandshalter anordbar ist.

Dabei kann gemäß der Erfindung vorgesehen sein, daß zumindest ein, vorzugsweise elektrisch isolierender, Abstandshalter im Bereich des ersten und/oder des zweiten Entkopplungsbereiches des ersten und/oder des zweiten piezoelektrischen Elementes, vorzugsweise zwischen dem ersten und dem zweiten piezoelektrischen Element, anordbar ist.

Auch wird vorgeschlagen, daß zumindest ein, vorzugsweise elektrisch leitfähiger; Abstandshalter angrenzend an den ersten und/oder den zweiten Haltebereich des ersten und/oder des zweiten piezoelektrischen Elementes, vorzugsweise zwischen dem ersten und dem zweiten piezoelektrischen Element, anordbar ist.

Bevorzugt ist, daß der Abstandshalter zumindest eine auf zumindest eine Oberfläche des ersten und/oder des zweiten piezoelektrischen Elementes zumindest bereichsweise aufgebrachte Lackschicht, Kunststoffbeschichtung und/oder zumindest eine Schicht eines getrockneten Adhäsionsmittels umfaßt.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß das erste und/oder das zweite piezoelektrische Element zumindest ein Abstandselement, insbesondere im Bereich des ersten und/oder zweiten Entkopplungsbereichs, umfaßt.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß das Abstandselement, zumindest eine geometrische Veränderung des ersten und/oder des zweiten piezoelektrischen Elementes umfaßt, vorzugsweise in Form zumindest einer Erhebung, zumindest einer Vertiefung, zumindest einer Faltung und/oder zumindest eines Knicks.

Mit der Erfindung wird auch ein elektroakustischer Wandler mit einer Vielzahl von zweiten Entkopplungsbereichen des ersten und/oder des zweiten piezoelektrischen Elementes vorgeschlagen.

Auch wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß zumindest eine Oberfläche, vorzugsweise zumindest zwei sich gegenüberliegende Oberflächen, des ersten und/oder des zweiten piezoelektrischen Elementes zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig, metallisiert ist bzw. sind.

Ferner kann die Erfindung vorsehen, daß das erste und das zweite piezoelektrische Element zumindest bereichsweise übereinander angeordnet sind.

Bevorzugt ist, daß die erste und die zweite Haltevorrichtung, die erste und die dritte, die zweite und die vierte und die dritte und die vierte Haltevorrichtung in einem ausgeführt sind, insbesondere sich das erste und zweite piezoelektrische Element mittels der Fixierung durch die erste, zweite, dritte und vierte Haltevorrichtung zumindest bereichsweise, vorzugsweise in dem ersten und/oder zweiten Haltebereich, zur Erreichung der elektrischen Reihenschaltung direkt oder indirekt kontaktieren.

Mit der Erfindung wird auch vorgeschlagen, daß das erste und/oder das zweite piezoelektrische Element zumindest bereichsweise folienförmig ausgebildet ist bzw. sind.

Dabei ist bevorzugt, daß die Dicke der Folie im Bereich von 0,5 μm bis 500μm, vorzugsweise im Bereich von 20 μm bis 150μm, noch bevorzugter im Bereich von 30 bis 80 μm liegt.

Bei den beiden zuvor genannten Ausführungsformen kann auch vorgesehen sein, daß die Breite und/oder die Länge des ersten und/oder des zweiten piezoelektrischen Elementes im Bereich von 0,5mm bis 500mm, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 20mm, noch bevorzugter im Bereich von 3 bis 10 mm liegt.

Ferner wird mit der Erfindung ein elektroakustischer Wandler vorgeschlagen, der sensitiv für Schallwellen im hörbaren, im Infraschall- und/oder im Ultraschallfrequenzbereich ist.

Dabei kann vorgesehen sein, daß das erste und/oder das zweite piezoelektrische Element zumindest bereichsweise von zumindest einer luft- und/oder schalldurchlässigen, geerdeten Abschirmung, die vorzugsweise zumindest bereichsweise ein Metallgitter umfaßt, umgeben ist.

Weiterhin wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß eine Vielzahl von zweiten elektrisch in Reihe geschalteten piezoelektrischen Elementen, wobei zumindest zwei zweite piezoelektrische Elemente zumindest in einem der ersten und/oder einem der zweiten Entkopplungsbereich mechanisch voneinander entkoppelt sind.

Dabei wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die zweiten piezoelektrischen Elemente so angeordnet sind, daß zumindest eines der zweiten piezoelektrischen Elemente zumindest in einem der ersten und/oder einem der zweiten Entkopplungsbereiche zumindest bereichsweise von zumindest einem weiteren zweiten piezoelektrischen Element beabstandet ist, vorzugsweise allseitig unmittelbar mit Schallwellen beaufschlagbar ist, wobei insbesondere jeweils zumindest ein Abstandshalter, insbesondere im Bereich des ersten und/oder zweiten Entkopplungsbereichs und/oder im Bereich des ersten und/oder zweiten Haltebereichs, im Bereich jedes zweiten piezoelektrischen Elementes anordbar ist.

Ferner wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der erste bzw. der zweite Entkopplungsbereich des ersten piezoelektrischen Elementes und der erste bzw. zweite Entkopplungsbereich des bzw. der zweiten piezoelektrischen Elemente(s) zur Erzeugung einer Beabstandung des ersten und zweiten piezoelektrischen Elementes und/oder zumindest zweier zweiter piezoelektrischer Elemente, insbesondere im Bereich des ersten bzw. zweiten Entkopplungsbereiches des ersten und des/der zweiten piezoelektrischen Elemente(s), unterschiedliche geometrische Abmessungen, insbesondere unterschiedlich Längen, aufweisen.

Außerdem wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zur Erzeugung einer zumindest bereichsweisen Beabstandung des ersten und des zweiten piezoelektrischen Elementes und/oder zumindest zweier zweiter piezoelektrischer Elemente der erste und/oder der zweite Haltebereich des ersten piezoelektrischen Elementes zumindest bereichsweise zum ersten und/oder zweiten Haltebereich des/der zweiten piezoelektrischen Elemente(s) und/oder der erste und/oder der zweite Haltebereich zweier zweiter piezoelektrischer Elemente, insbesondere mittels der geometrischen Ausgestaltung der ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Haltevorrichtung zueinander versetzt ist bzw. sind.

Insbesondere ist bevorzugt, daß die erste, zweite, dritte und/oder vierte Haltevorrichtung zumindest bereichsweise V-, U- und/oder L-förmig ausgebildet ist bzw. sind.

Ferner wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das erste und das bzw. die zweite(n) piezoelektrische(n) Element(e) in Form zumindest eines Stapels, insbesondere eines Folienstapels, angeordnet sind.

Dabei wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Stapel, insbesondere zur Erzielung einer Beabstandung zwischen dem ersten piezoelektrischen Element und dem zweiten piezoelektrischen Element und/oder zwischen zwei zweiten piezoelektrischen Elementen spiralförmig, meanderförmig, zieharmonikaförmig, kegelförmig, v-förmig, u-förmig und/oder halbkreisförmig ausgebildet ist.

Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das erste und/oder das zweite bzw. die zweiten piezoelektrische(n) Element(e) ein zelluläres und/oder poröses Material mit Elektreteigenschaften, insbesondere umfassend einen Polymerschaum, vorzugsweise basierend auf Polypropylen, ein Fluorpolymer, wie Polyvinylidenfluorid, und/oder ein Fluorethylen, wie Polytetrafluorethylen, vorzugsweise Polytetrafluorethylen-FEP, umfaßt.

Schließlich kann der elektroakustische Wandler als Audio-, Ultraschall- und/oder Infraschallmikrophon verwendet werden.

Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß ein einfach aufgebauter und damit kostengünstig herstellbarer elektroakustischer Wandler, der sehr gute Empfindlichkeitseigenschaften aufweist, dadurch bereitgestellt werden kann, daß mehrere piezoelektrische Elemente, insbesondere umfassend zelluläre piezoelektrische Polymerfolien, so kom biniert werden, daß die piezoelektrischen Elemente elektrisch in Reihe geschaltet werden, jedoch mechanisch entkoppelt sind. Bevorzugt werden die piezoelektrischen Elemente so angeordnet, daß der Großteil jedes piezoelektrischen Elementes einzeln durch Schallwellen anregbar ist und die piezoelektrischen Elemente einzeln schwingen können, insbesondere Dickenschwankungen, daß heißt Veränderungen der Geometrie in die d₃₃-Richtung, unabhängig voneinander anregbar sind. Insbesondere bei der Verwendung von piezoelektrischen Folien in einem elektroakustischen Wandler wird dies dadurch erreicht, daß die Folien so kombiniert bzw. verbunden werden, daß im wesentlichen keine mechanische Kopplung zwischen den Folien eintritt und somit jede einzelne Folie annähernd frei schwingen kann, wodurch die Resonanzfrequenz im wesentlichen nicht reduziert wird und somit die Empfindlichkeit des Foliensystems und damit des elektroakustischen Wandlers, insbesondere bei höherer Frequenzen, nicht beeinträchtigt wird. Dadurch, daß die Folien so angeordnet werden, daß sie nur in einem kleinen Bereich zur Erzielung einer elektrischen Reihenschaltung mechanisch miteinander verbunden sind, über den restlichen großen Bereich jedoch frei schwingen können und einen so großen Abstand voneinander aufweisen, daß Schallwellen zwischen jede der Folien eindringen kann, kann jede einzelne Folie unabhängig von den anderen angeregt werden und die Empfindlichkeit des Mikrophons wird aufgrund der elektrischen Reihenschaltung der Folien erhöht. So kann bei n Folien ca. eine n-fache Empfindlichkeit erreicht werden. Insbesondere können in einem erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandler auch Folien eingesetzt werden, die zur Erhöhung der Empfindlichkeit ein geringes Elastizitätsmodul und damit eine geringere Eigenresonanzfrequenzen aufweisen, ohne daß der Frequenzgang des elektroakustischen Wandlers negativ beeinflußt wird. So führt gerade die erfindungsgemäße Kombination von piezoelektrischen Elementen dazu, daß die Empfindlichkeit des elektroakustischen Wandlers dadurch erhöht wird, daß die Ausgangsspannungen der piezoelektrischen Elemente addiert werden, ohne daß eine Optimierung der Empfindlichkeit der einzelnen piezoelektrischen Elemente, insbesondere bei zellulären piezoelektrischen Polymerfolien durch eine Verringerung des Elastizitätsmoduls, die, wie zuvor beschrieben, den Frequenzgang des piezoelektrischen Elementes negativ beeinflußt, notwendig ist. Somit können mittels der Erfindung insbesondere elektroakustische Wandler bereitgestellt werden, die hohe Empfindlichkeiten im hörbaren Frequenzbereich und Ultraschallbereich aufweisen, um auch für zukünftige Audio normen, die zu höheren Frequenzen erweiterte Frequenzbereiche aufweisen, zur Schallaufzeichnung verwendet werden zu können.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft anhand schematischer Zeichnungen im Einzelnen erläutert sind.
1a eine schematische Seitenschnittansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines elektroakustischen Wandlers;
1b eine Aufsicht auf den elektroakustischen Wandler der 1 aus Richtung A;
2a eine schematische Seitenschnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers;
2b eine Detailansicht I des elektroakustischen Wandlers der 2a;
3 eine schematische Seitenschnittansicht einer dritten Ausführungsform eines elektroakustischen Wandlers gemäß der Erfindung;
4 eine schematische Seitenschnittansicht einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers;
5 eine Detailansicht eines elektroakustischen Wandlers gemäß eines erfindungsgemäßen fünften Ausführungsform;
5a eine Aufsicht auf ein piezoelektrisches Element in Form eines Folienstreifens gemäß der Erfindung;
6b eine Seitenansicht des Folienstreifens der 6a aus Richtung B;
6c eine Detailansicht eines elektroakustischen Wandlers umfassend zwei Folienstreifen gemäß den 6a und 6b;
6d eine Detailsansicht eines elektroakustischen Wandlers umfassend vier Folienstreifen gemäß den 6a und 6b;
7a eine Aufsicht auf ein piezoelektrisches Element in Form eines Folienstreifens gemäß der Erfindung;
7b eine perspektivische Ansicht des Folienstreifens der 7a;
7c eine Querschnittsansicht auf zwei Folienstreifen der 7a und 7b im eingebauten Zustand;
7d eine Querschnittsansicht auf vier Folienstreifen der 7a und 7b im eingebauten Zustand;
7e eine Querschnittsansicht auf sechs Folienstreifen der 7a und 7b im eingebauten Zustand;
8a eine Aufsicht auf eine Kombination piezoelektrischer Elemente in Form eines Folienstapels gemäß einer sechsten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers;
8b eine Seitenansicht auf den Folienstapel der 8a aus Richtung C;
8c eine Aufsicht auf einen Folienstapel gemäß einer siebten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers;
8d eine Detailansicht II des Folienstapels der 8c;
9 eine Aufsicht auf einen Folienstapel gemäß einer achten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers;
10 eine schematische Seitenschnittansicht einer neunten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers; und
11 eine schematische Seitenschnittansicht einer zehnten Ausführungsform eines elektroakustischen Wandlers gemäß der Erfindung.
In den 1a und 1b ist ein elektroakustischer Wandler 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der elektroakustische Wandler 10 umfaßt ein erstes piezoelektrisches Element in Form einer zellularen piezoelektrischen Polymerfolie 12 und ein zweites piezoelektrisches Element in Form einer zellularen piezoelektrischen Polymerfolie 14. Die piezoelektrischen Folien 12, 14 sind mittels einer ersten Haltvorrichtung in Form einer Klemmvorrichtung 16 auf einer Platine 18 fixiert. Dabei ist die erste Folie 12 in einem ersten Haltebereich 20 und die zweite Folie 14 in einem ersten Haltebereich 22 fixiert. Die Platine 18 trägt die elektrische Schaltung des elektroakustischen Wandlers 10. Bei einem Auftreffen von Schallwellen auf die piezoelektrischen Folien 12, 14 kommt es zu einer Veränderung der Geometrie der piezoelektrischen Folien 12, 14, insbesondere zu einer Veränderung der Dicke der piezoelektrischen Folien 12, 14 in einem jeweiligen ersten Entkopplungsbereich 24, 26. Aufgrund des piezoelektrischen Effektes kommt es dadurch zur Erzeugung einer Potentialdifferenz bzw. elektrischen Spannung zwischen der der Platine 18 zugewandten Oberfläche der Folie 12 und der der Platine 18 abgewandten Seite der Folie 12. In analoger Weise kommt es aufgrund des piezoelektrischen Effektes zur Erzeugung einer Potentialdifferenz zwischen der der Platine 18 zugewandten Oberfläche der Folie 14 und der der Platine abgewandten Seite der Folie 14. Sowohl die der Platine 18 zugewandte Oberflächen der piezoelektrischen Folien 12 und 14 als auch die der Platine 18 abgewandte Oberflächen der piezoelektrischen Folien 12 und 14 sind metallisiert. Die der Platine 18 abgewandte Oberfläche der Folie 12 ist über eine nichtdargestellte Kontaktierung mit der auf der Platine 18 befindlichen Schaltung verbunden. Darüber hinaus ist die der Platine 18 zugewandte Oberfläche der Folie 14 ebenfalls über eine nichtdargestellte elektrische Verbindung, die insbesondere von der Klemmvorrichtung 16 umfaßt sein kann, mit der auf der Platine befindlichen Schaltung des elektroakustischen Wandlers 10 verbunden. Die Klemmvorrichtung 16 ist elektrisch nicht leitend, so daß die Folien 12, 14, um die der Schaltplatine 18 befindlichen Schaltung zugeführte Spannung zu erhöhen, elektrisch in Reihe geschaltet sind. Der elektroakustische Wandler 10 zeichnet sich gerade dadurch aus, daß die beiden piezoelektrischen Folien 12, 14 in jeweiligen Entkopplungsbereichen 24, 26 an beiden Oberflächen mit Schallwellen beaufschlagt werden. Insbesondere können die piezoelektrischen Folien 12, 14 unabhängig voneinander, insbesondere in ihrer Dickenrichtung schwingen, so daß der elektroakustische Wandler 10 aufgrund der geringen Massen der piezoelektrischen Folien 12 und 14 und der damit verbundenen relativ hohen Resonanzfrequenz der einzelnen piezoelektrischen Folien 12 und 14 einen großen Frequenzbereich mit einer gleichmäßigen Empfindlichkeit aufweist. Aufgrund der elektrischen Verbindung der der piezoelektrischen Folie 12 zugewandten Oberfläche der piezoelektrischen Folie 14 mittels der Haltevorrichtung 16 sind die Folien 12 und 14 elektrisch in Reihe geschaltet, so daß sich die auf den Oberflächen der Folien 12, 14 erzeugten Potentialdifferenzen addieren und somit eine im Vergleich zur Verwendung einer einzelnen piezoelektrischen Folie erhöhte Ausgangsspannung der elektrischen Schaltung des elektro-akustischen Wandlers zugeführt werden kann. Damit weist der elektroakustische Wandler 10 eine hohe Empfindlichkeit über einen großen Frequenzbereich auf.
In 2a ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers in Form eines Mikrophons 50 dargestellt. Das Mikrophon 50 umfaßt eine Grundplatte 52, die insbesondere als Platine, die einen elektrischen Schaltkreis, wie eine Verstärkerschaltung aufweist, ausgebildet ist. Das Mikrophon 50 umfaßt ferner eine Klemmvorrichtung 54, die als erste und zweite Haltevorrichtung für piezoelektrische Elemente in Form von zellularen piezoelektrischen Polymerfolien 56, 58, 60, 62 dient. Dabei kann sich die Klemmvorrichtung 54 über die gesamte Seitenlänge der Folien 56, 58, 60, 62 erstrecken oder, ähnlich wie bei dem in 1b dargestellten elektroakustischen Wandler 10, nur einen Teil des Seitenrandes der Folien 56, 58, 60, 62 fixieren.
In 2b ist eine Detailansicht des Ausschnitts I des Mikrophons 50 der 2a dargestellt. Wie 2b zu entnehmen ist, weist die Klemmvorrichtung 54 Klemmelemente 54a und 54b auf. Wie 2b weiterhin zu entnehmen ist, weisen die piezoelektrischen Folien 56, 58, 60, 62 jeweils einen ersten Haltebereich 56a, 58a, 60a, 62a, und einen ersten Entkopplungsbereich 56b, 58b, 60b und 62b auf. Die piezoelektrischen Folien 56, 58, 60, 62 sind auf ihrer Unter- und Oberseite jeweils metallisiert. Das Klemmelement 54b kontaktiert elektrisch leitend die dem Klemmelement 54b zugewandte Seite der Folie 56 im ersten Haltebereich 56a der Folie 56. Die dem Klemmelement 54b abgewandte Oberfläche der Folie 56 steht in direktem Kontakt mit der dem Klemmelement 54b zugewandten Oberfläche der Folie 58 im ersten Haltebereich 58a. Dadurch kommt es zu einer elektrischen Reihenschaltung zwischen den Folien 56 und 58. Zwischen der Folie 58 und der Folie 60 ist ein elektrisch leitender Abstandshalter 64 angeordnet, auf dessen der Folie 58 abgewandten Seite der erste Haltebereich 60a der Folie 60 aufliegt. Auf den ersten Haltebereich 60a der Folie 60 ist wiederum der erste Haltebereich 62a der Folie 62 aufgelegt. Aufgrund der Kontaktierung der Folien 56, 58, 60, 62 in den ersten Haltebereichen 56a, 58a, 60a und 62a unter Zwischenschaltung des Abstandshalters 64 kommt es zu einer elektrischen Reihenschaltung der piezoelektrischen Folien 56, 58, 60, 62. Wie aus 2b weiterhin ersichtlich ist, ist das Klemmelement 54a der Klemmvorrichtung 54 geerdet. Durch die Klemmvorrichtung 54 kommt es somit einerseits zu einer mechanischen Befestigung der Folien 56, 58, 60, 62 auf der Grundplatte 52. Dabei werden die Folien 56, 58, 60, 62 lose aufeinander gelegt und über die Klemmvorrichtung 54 in den ersten Haltebereichen 56a, 58a, 60a, 62a fixiert. Durch die Einklemmvorrichtung 54 wird andererseits aufgrund der Metallisierung der Oberflächen der Folien 56, 58, 60, 62 und der Verwendung des Abstandshalters 64 eine elektrische Reihenschaltung zwischen den Folien 56, 58, 60, 62 erzielt. Durch den Einsatz des Abstandshalters 64 wird ferner erreicht, daß die Folien 58 und 60, insbesondere außerhalb der Haltebereiche 58a, 60a, d.h. in den ersten Entkopplungsbereichen 58b, 60b voneinander beabstandet sind bzw. sich nur leicht in diesen Bereichen 58b, 60b berühren. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, daß die 2a und 2b nicht maßstabsgetreu die relative Lage der Folien 56, 58, 60, 62 darstellen, insbesondere ist die Auffächerung der Folien 56, 58, 60, 62 stark übertrieben dargestellt, wobei in Realität die Folien 56, 58, 60, 62 relativ eng zusammen liegen. In 2b ist darüber hinaus gezeigt, daß auf der Oberseite der Folie 56 in dem ersten Entkopplungsbereich 56b ein Abstandshalter 66 angeordnet ist. Ein ähnlicher Abstandshalter 68 ist darüber hinaus auf der Folie 60 in dem ersten Entkopplungsbereich 60b angeordnet. Durch die Abstandshalter 66, 68 wird erreicht, daß die Folien 56, 58, in den Entkopplungsbereichen 56b, 58b, und die Folien 60 und 62 in den Entkopplungsbereichen 60b und 62b zumindest bereichsweise voneinander beabstandet sind. Somit wird erreicht, daß die Folien 56, 58, 60, 62 sich außerhalb der Haltebereiche 56a, 58a, 60a und 62a nur leicht berühren und voneinander beabstandet sind, wodurch sich Luft zwischen den Folien 56, 58, 60, 62 in den Entkopplungsbereichen 56b, 58b, 60b, 62b befindet. In nicht dargestellten Ausführungsformen kann auch vorgesehen sein, daß zwischen jedem Folienpaar jeweils zumindest ein Abstandshalter im Entkopplungsbereich bzw. Haltebereich vorhanden ist, ohne daß im jeweiligen Haltebereich bzw. Entkopplungsbereich entsprechende Abstandshalter vorgesehen ist. Trifft nun eine Schallwelle auf das Mikrophon 50, so ist jede Folie 56, 58, 60, 62 zumindest im Entkopplungsbereich 56b, 58b, 60b, 62b den Schalldruckänderungen ausgesetzt. Aufgrund der Schalldruckänderungen kommt es zu einer Veränderung der Geometrie der Folien 56, 58, 60, 62 insbesondere in den Entkopplungsbereichen 56b, 58b, 60b, 62b. Diese Geometrieänderung besteht insbesondere in einer Änderung der Foliendicke D, so daß aufgrund einer hohen Piezokonstante d₃₃ der Folien 56, 58, 60, 62 Ladungen an den jeweiligen Oberflächen der Folien 56, 58, 60, 62 erzeugt werden. Aufgrund der elektrischen Reihenschaltung der Folien 56, 58, 60, 62 kommt es zu einer Addition der durch die Folien 56, 58, 60, 62 erzeugten Spannungen. Somit kommt es zu einer hohen Empfindlichkeit des Mikrophons 50, bis hin zu hohen Frequenzen. So wird aufgrund der fehlenden mechanischen Kopplung der Folien 56, 58, 60, 62 zumindest in den Entkopplungsbereichen 56b, 58b, 60b, 62b die Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Elemente des Mikrophons 50 im Vergleich zur Verwendung einer einzelnen Folie kaum verändert. Somit ist die Empfindlichkeit des Vier-Folien-Mikrophons 50 im Vergleich zu einem Mikrophon, das nur eine einzelne Folie verwendet, deutlich erhöht, nämlich ungefähr viermal so hoch, ohne daß der nutzbare Frequenzbereich des Mikrophons 50 im Vergleich zu einem Einfolienmikrophon verringert ist. Bei den Abstandshaltern 66, 68 handelt es sich insbesondere um eine Lackschicht, die vor einem Aufeinanderlegen der Folien 56, 58, 60, 62 auf die Folie 56 bzw. 60 aufgebracht wird. Durch das Aufbringen des Lackes läßt sich die Dicke desselben und damit die Höhe des Abstandshalters 66 bzw. 68 und damit der Abstand der Folien untereinander gut einstellen. Anstelle der Lackschicht kann auch eine Kunststoffbeschichtung oder eine Adhäsionsmittelschicht, die eingetrocknet wird bevor die Folien aufeinander gelegt werden, aufgebracht werden.
In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß die Folien vor einem Aufeinanderlegen der Folien bereichsweise in einen Lack eingetaucht werden, wodurch sich eine im wesentlichen durchgängige Schicht bildet, die insbesondere den Bruchteil eines Millimeters dick ist und somit die mechanischen Eigenschaften der Folien nicht beeinflußt. Der so aufgebrachte Lack weist eine gewisse, gut einstellbare Dicke auf und führt zu einer Beabstandung der Folien untereinander, so daß Luft und damit Schallwellen zwischen die Folien treten können. Um die gewünschten vorteilhaften Effekte zu erzielen, sind die ersten Haltebereiche 56a, 58a, 60a, 62a im Verhältnis zu den ersten Entkopplungsbereichen 56b, 58b, 60b, 62b möglichst klein.
In 3 ist eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers in Form eines Mikrophons 100 dargestellt. Der Aufbau des Mikrophons 100 ähnelt demjenigen des Mikrophons 50. Das Mikrophon 100 weist eine Grundplatte 102 auf, auf der eine Klemmvorrichtung 104 angeordnet ist. Über die Klemmvorrichtung 104 sind piezoelektrische Elemente in Form der piezoelektrischen Folien 106, 108, 110 und 112 derart lokal fixiert, daß eine elektrische Reihenschaltung zwischen den piezoelektrischen Folien 106, 108, 110 und 112 erzielt wird und gleichzeitig durch Verwendung von Abstandshaltern, ähnlich zu denjenigen wie sie in dem Mikrophon 50 eingesetzt werden, eine Auffächerung der Folien 106, 108, 110 und 112 erzielt wird, so daß Luft und somit Schallwellen zwischen die einzelnen Folien 106, 108, 110 und 112 treten kann. Dabei kann eine Fixierung der Folien mittels der Haltvorrichtung 104 über die gesamte Tiefe der Folien oder nur in Teilbereichen erfolgen. Im Gegensatz zu dem in den 2a und 2b dargestellten Folienmikrophon 50 weisen die Folien 106, 108, 110, 112 des Mikrophons 100 neben ersten Haltebereichen im Bereich der Klemmvorrichtung 104 und ersten Entkopplungsbereichen 106b, 108b, 110b, 112b zweite Entkopplungsbereiche 106c, 108c, 110c und 112c auf. Durch diesen Aufbau wird die piezoelektrisch aktive Fläche der Folien 106, 108, 110, 112 im Vergleich zu den Folien 56, 58, 60, 62 des Mikrophons 50 erhöht, wodurch die Empfindlichkeit des Mikrophons 100 im Vergleich zum Mikrophon 50 weiter erhöht wird, ohne daß es zu Fehlfunktionen des Mikrophons 100 aufgrund von insbesondere durch Erschütterungen von außen angeregte Biegeschwingungen der Folien 106, 108, 110, 112 in den Entkopplungsbereichen 106b, 106c, 108b, 108c, 110b, 110c, 112b, 112c kommen kann.
In 4 ist eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers in Form eines Mikrophons 150 dargestellt. Das Mikrophon 150 weist eine Grundplatte 152 auf, die insbesondere zumindest teilweise die elektrische Schaltung des Mikrophons 150 trägt, wobei sich auf der Grundplatte 152 auch kein elektrisches Bauteil befinden kann. Über eine Haltevorrichtung 154 sind Folien 156, 158, 160, 162 mechanisch an der Grundplatte 152 befestigt und die beidseitig metallisierten Folien 156, 158, 160, 162 werden über die Klemmvorrichtung 154 elektrisch in Reihe geschaltet. Die Folien 156, 158, 160, 162 sind insbesondere durch die zuvor beschriebenen Abstandshalter aufgefächert, so daß sie voneinander beabstandet sind und Luft und damit Schallwellen in die Zwischenräume zwischen den Folien 156, 158, 160, 162 treten kann. Bei dem Mikrophon 150 ist insbesondere vorgesehen, daß Schallwellen aus einer Richtung von oben in 4 auf das Mikrophon 150 auftreten. Beim Auftreffen der Schallwellen auf die einzelnen Folien 156, 158, 160, 162 kommt es zu einer Veränderung der Dicke der Folien 156, 158, 160, 162, wodurch aufgrund des piezoelektrischen Effektes in die d₃₃-Richtung der Folien 156, 158, 160, 162 eine Wechselspannung an jeder Folie 156, 158, 160, 162 erzeugt wird, die sich aufgrund der Reihenschaltung der Folien 156, 158, 160, 162 addieren, wobei die Wechselspannung über Klemmelemente 154a und 154b der Klemmvorrichtung 154 abgegriffen werden kann. Um eine elektrische Abschirmung der piezoelektrischen Folien 156, 158, 160, 162 zu erreichen, umfaßt das Mikrophon 150 eine Abschirmeinrichtung 164 in Form eines luft- und schalldurchlässigen Metallgitters, wobei das Gitter, wie aus der Figur ersichtlich, geerdet ist.
In einer weiteren, in 5 im Ausschnitt dargestellten fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers 200 ist vorgesehen, daß die piezoelektrischen Elemente in Form von beidseitig metallisierten, zellularen piezoelektrischen Polymerfolien 202, 204, 206, 208, lose aufeinander gelegt und jeweils in einem Haltebereich 202a, 204a, 206a, 208a mittels einer Haltevorrichtung 210 fixiert und gleichzeitig elektrisch kontaktiert werden, so daß die piezoelektrischen Folien 202, 204, 206, 208 in Reihe geschaltet sind. Überraschenderweise wurde festgestellt, daß auch mit einem derartig aufgebauten elektroakustischen Wandler 200 ohne zusätzliche Maßnahmen zur Herstellung eines Abstands zwischen den einzelnen piezoelektrischen Folien 202, 204, 206, 208 die erfindungsgemäßen Vorteile erzielt werden können, solange die piezoelektrischen Folien 202, 204, 206, 208 in einem Entkopplungsbereich 202b, 204b, 206b, 208b mechanisch voneinander entkoppelt sind. Dies ist dadurch zu erklären, daß die Folien 202, 204, 206, 208 eine raue Oberfläche aufweisen, so daß sich Luft zwischen den jeweiligen Folien 202, 204, 206, 208 befindet, bzw. Schallwellen zwischen die jeweiligen Folien 202, 204, 206, 208 treten kann und unabhängige Schwingungen jeder Folie 202, 204, 206, 208, insbesondere Dickenschwingungen, in den Entkopplungsbereichen 202b, 204b, 206b, 208b erfolgen können. Die Beabstandung der Folien 202, 204, 206, 208 wird insbesondere dadurch erreicht, daß diese sich gegenseitig nur punktuell an den durch die Oberflächenrauigkeit hervorgerufenen Erhöhungen berühren und so einen Abstand in den restlichen Bereichen aufweisen. Insbesondere die Verwendung von zellularen piezoelektrischen Polymerfolien ermöglicht diesen einfachen Aufbau, da derartige Folien aufgrund ihres Herstellungsverfahrens, insbesondere durch die während der Herstellung erfolgende bidirektionale Expansion der Folien durch Drücke im Bereich von 20 bar, eine relativ große Rauigkeit aufweisen. Dieser Effekt der Beabstandung zwischen den Folien 202, 204, 206, 208 kann in einer nicht dargestellten Ausführungsform noch durch die mittels der Haltevorrichtung 210 hervorgerufenen Klemmkräfte derartig verstärkt werden, daß die Einspannung die Folien in dem jeweiligen Haltebereich zusammendrückt und dadurch eine leichte Auffächerung im jeweiligen Entkopplungsbereich der Folien entsteht. Diese Ausführungsformen der Erfindung bieten den Vorteil, daß sie konstruktiv wesentlich einfacher sind und einen geringeren Arbeitsaufwand beim Aufbau erfordern.
Eine Beabstandung zwischen den einzelnen piezoelektrischen Elementen kann auch durch eine geeignete Gestaltung der Form der piezoelektrischen Elemente, insbesondere durch Ausbildung zumindest eines Abstandselementes erreicht werden. So ist in 6a ein piezoelektrisches Element in Form eines zellularen piezoelektrischen Polymerfolienstreifens 250 in Aufsicht dargestellt. In 5b ist der Folienstreifen 250 in Seitenansicht aus Richtung B in 6a dargestellt. Wie aus den 6a und 6b ersichtlich, weist der Folienstreifen 250 ein Abstandselement in Form eines Knicks 252 auf. Dieser Knick 252 verläuft senkrecht zu einer Längsachse x des Folienstreifens 250. Durch den Längsknick 252 wird, wie aus den 6c und 6d ersichtlich, erreicht, daß bei einem Einbau mehrerer Folien, die eine dem Folienstreifen 250 analoge Form aufweisen, in einem elektroakustischen Wandler eine Beabstandung zwischen einzelnen piezoelektrischen Folien 254, 256 bzw. 262, 264, 266 und 268 erreicht werden kann. Wie aus 6c ersichtlich, sind zwei piezoelektrische Folien 254, 256 mittels einer Haltevorrichtung 258 fixiert. Die Folie 254 weist eine Faltung bzw. einen Knick 255 und die Folie 256 weist eine Faltung bzw. einen Knick 257 auf. Durch diese Knicke 255, 257 wird erreicht, daß die piezoelektrischen Folien 254, 256 in jeweiligen Entkopplungsbereichen 254a bzw. 256a so voneinander beabstandet sind, daß Schallwellen zwischen die Folien 254, 256 treten können und so die beiden Folien 254, 256 bei Anregung durch Schallwellen unabhängig voneinander, insbesondere in ihrer Dickenrichtung schwingen können. In ähnlicher Weise sind in dem in 6d dargestellten elektroakustischen Wandler mittels einer Haltevorrichtung 260 piezoelektrische Folien 262, 264, 266 und 268, die jeweils Knicke 263, 265, 267 und 269 aufweisen, fixiert. Wie aus der 6d ersichtlich, wird durch die Ausbildung der Knicke 263, 265, 267, 269 erreicht, daß die Folien 262, 264, 266, 268 jeweils zumindest bereichsweise derartig voneinander beabstandet sind, daß Schallwellen zwischen jeweils zwei der Folien treten können und so eine Schwingungsanregung der einzelnen Folien unabhängig von den jeweils anderen Folien zur Erzeugung einer elektrischen Spannung er zielt werden kann. Bei dem Zusammenbau der jeweiligen elektroakustischen Wandler ist jedoch darauf zu achten, daß die Folien so angeordnet werden müssen, daß die Folien, wenn die entsprechende Polarisation jeweils in die gleiche Richtung zeigt, abwechselnd nach unten bzw. nach oben geknickt werden müssen, d.h. die jeweiligen Knicke jeweils in entsprechend entgegengesetzten Richtungen zeigen müssen.
Eine derartige Beabstandung einzelner piezoelektrischer Elemente, insbesondere in Form von zellularen piezoelektrischen Polymerfolien kann auch durch ein Knicken bzw. Falten des entsprechenden piezoelektrischen Elementes entlang einer Längsrichtung des piezoelektrischen Elementes erfolgen. So ist in den 7a, 7b ein piezoelektrisches Element in Form eines zellularen piezoelektrischen Polymerfolienstreifens 300, der einen Knick 302 entlang einer Längsrichtung x' des Folienstreifens 300 aufweist, dargestellt. In 7c ist eine Kombination zweier analog zum Folienstreifen 300 geknickter bzw. gefalteter Folien 304 und 308 dargestellt. Die Folie 304 weist einen Knick 306 auf, während die Folie 308 einen Knick 310 aufweist. Die Folien 304 und 308 werden in einer in 7c nicht dargestellten Haltevorrichtung fixiert. In 7c ist eine Schnittansicht der Folien 304, 308 in einem Entkopplungsbereich dargestellt. Wie der 7c zu entnehmen ist, wird durch den Längsknick 306 der Folie 304 und den Längsknick 310 der Folie 308 erreicht, daß die Folien 304, 308 in diesem Entkopplungsbereich 50 voneinander beabstandet sind, daß Schallwellen zwischen die Folien 304, 308 treten können und eine piezoelektrische Aktivität der Folien 304, 308 hervorgerufen werden kann.
Wie den 7d und 7e zu entnehmen ist, ist eine derartige Anordnung von piezoelektrischen Folien bzw. Folienstreifen nicht auf zwei Folien beschränkt, sondern durch die Ausbildung eines Längsknicks entlang der jeweiligen Folien können Folienstapel aufgebaut werden, bei denen jeweils sichergestellt wird, daß eine Beabstandung zwischen jeweils zwei benachbarten Folien derart erreicht wird, daß Schallwellen zwischen die Folien treten können, um eine entsprechende Anregung des piezoelektrischen Effekts in den einzelnen Folien unabhängig voneinander zu erzielen. So ist in 7d ein Folienstapel bestehend aus vier piezoelek trischen Folien 312, 314, 316 und 318 dargestellt, während in 7e ein Folienstapel bestehend aus sechs Folien 320, 322, 324, 326, 328 und 330 dargestellt ist.
In den 8a bis 9 sind Ausführungsformen entsprechender piezoelektrischer Elemente dargestellt, die es ermöglichen, daß eine große piezoelektrisch aktive Fläche bei Verwendung von, insbesondere zellularen, piezoelektrischen Polymerfolien und damit eine hohe Folienkapazität auf möglichst kleinem Raum angeordnet wird, um den notwendigen Bauraum eines elektroakustischen Wandlers zu reduzieren. In 8a ist ein erster Stapel piezoelektrischer Folien einer sechsten Ausführungsform eines elektroakustischen Wandlers nach der Erfindung, umfassend drei Folienstreifen 400, 402, 404 dargestellt. Die Folie 400 ist eine Polymerfolie, die keine piezoelektrischen Eigenschaften aufweist und als Isolierung dient, während die Folien 402, 404 zellulare piezoelektrische Polymerfolien sind. Der Folienstapel, bestehend aus diesen drei Folienstreifen 400, 402, 404, wird an dem einen Ende in einer Haltevorrichtung 408 eingespannt und die beidseitig metallisierten Folien 402, 404 werden auf diese Weise so kontaktiert, daß sie elektrisch in Reihe geschaltet sind. Nach einer Befestigung des Folienstapels in der Haltevorrichtung 408 wird der Folienstreifenstapel um die Haltevorrichtung 408, die nach außen isoliert ist, gewickelt und das andere Ende wird ohne Aufbau einer entsprechenden Klemmkraft, d.h. relativ lose, an einer Haltevorrichtung 412 befestigt. Durch diese Umwicklung der Haltevorrichtung 408 entstehen Zwischenräume zwischen den Folienstreifen 400, 402, 404, in die Schallwellen eintreten und ein entsprechendes elektrisches Potential an den Folienstreifen 402, 404 aufgrund des piezoelektrischen Effektes dieser hervorrufen können. In 8b ist eine Seitenansicht des Folienstapels der 8a aus Richtung C dargestellt. Ein Schall- bzw. Lufteintritt bzw. -austritt in bzw. aus dem Folienstapel der 8a erfolgt in Richtung der Pfeile 414, 416.
In 8c ist eine weitere Ausführungsform eines Folienstapels 450 einer siebten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers dargestellt. Ähnlich dem in 8a dargestellten Folienstapel wird bei dem Folienstapel 450 der 8c der Stapel 450 nach einer Befestigung in einer Haltevorrichtung 452 um dieselbe herumgewickelt. Im Ge gensatz zu dem in 8a dargestellten Folienstapel wird aber das dem der Haltevorrichtung 452 gegenüberliegende Ende des Folienstapels 450 in eine Haltevorrichtung 454 eingeklemmt. Wie aus 8d, die einen Ausschnitt des Folienstapels 450 der 8c entsprechend dem Ausschnitt II darstellt, ersichtlich ist, besteht der Folienstapel 450 aus einzelnen Folien 456, 458, 460 und 462. Während die Folien 456, 458, 460 piezoelektrische Folien sind, handelt es sich bei der Folie 462 um eine Isolierung aus einer Polymerfolie, die keine piezoelektrischen Eigenschaften aufweist. Die Folien 456, 458, 460 sind beidseitig metallisiert und über die Haltevorrichtung 452 bzw. 454 wird erreicht, daß die Folien 456, 458, 460 sich so kontaktieren, daß sie elektrisch in Reihe geschaltet sind. Wie aus 8d ersichtlich, bestehen zwischen den einzelnen Folien 456, 458, 460 und 462 Luftspalten, die dazu führen, daß Schallwellen zwischen die jeweiligen Folien treten können und eine entsprechende Schwingung der Folien 456, 458, 460, insbesondere in ihrer Dicke, hervorrufen können, um mittels des piezoelektrischen Effekts entsprechende elektrische Signale zu erzeugen.
In 9 ist ein Folienstapel 450 gemäß einer achten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines elektroakustischen Wandlers, umfassend die piezoelektrischen Folien 502, 504 und 506, dargestellt. Der Folienstapel 500 wird über Klemmvorrichtungen 508, 510 so eingespannt, daß die beidseitig metallisierten piezoelektrischen Folien 502, 504, 506 sich jeweils kontaktieren und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Durch eine entsprechende Verschaltung der Klemmvorrichtung 508, 510 kann auf die Verwendung einer Isolierfolie, wie sie bei den in den 7a bis 7d dargestellten Folienstapel notwendig ist, verzichtet werden. Wie der 9 zu entnehmen ist, sind die aufeinandergelegten Einzelfolien 502, 504, 506 zickzackförmig derartig gefaltet, daß sich entsprechende Freiräume zwischen den Folien 502, 504, 506 bilden, in die Schallwellen eintreten können und eine jeweils unabhängige Schwingung der Folien 502, 504, 506 bewirken können. Dabei erfolgt ein Schall- bzw. Lufteintritt bzw. -austritt bei dem Folienstapel 500 in einer Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene der 9.
Bei den in den 8a bis 9 dargestellten Folienstapeln kann selbst bei einer sehr großen Anzahl von Einzelfolien in dem jeweiligen Stapel eine vergleichsweise große Kapazität der in Reihe geschalteten Folien auf möglichst kleinem Raum sichergestellt werden. Eine große Kapazität des Folienstapels ist insbesondere aufgrund der Eingangskapazität eines Vorverstärkers, an dem der elektroakustische Wandler umfassend den entsprechenden Folienstapel angeschlossen wird, wichtig. Die Anordnung einer großen Anzahl von Folien auf möglichst kleinem Raum ist insbesondere auch deshalb wichtig, weil vorteilhafterweise die Abmessungen des elektroakustischen Wandlers klein gegenüber der zu detektierenden Schallwellenlänge sind.
In 10 ist eine neunte Ausführungsform eines elektroakustischen Wandlers in Form eines Mikrophons 1200 dargestellt. Das Mikrophon 1200 weist eine Grundplatte 1202 auf, auf der Klemmvorrichtungen 1204 und 1206 angeordnet sind. Mittels der Klemmvorrichtungen 1204, 1206 werden piezoelektrische Elemente in Form der Folien 1208, 1210, 1212, 1214, 1216 gehalten. Dabei weisen die Folien 1208, 1210, 1212, 1214, 1216 erste Haltebereiche 1208a, 1210a, 1212a, 1214a und 1216a sowie zweite Haltebereiche 1208d, 1210d, 1212d, 1214d, 1216d auf. Darüber hinaus weisen die Folien 1208, 1210, 1212, 1214, 1216 zwischen den ersten Haltebereichen 1208a, 1210a, 1212a, 1214a, 1216a und den zweiten Haltebereichen 1208d, 1210d, 1212d, 1214d, 1216d erste Entkopplungsbereiche 1208b, 1210b, 1212b, 1214b, 1216b auf. Die Folien 1208, 1210, 1212, 1214, 1216 weisen unterschiedliche Längen auf, so daß es durch die Fixierung der Folien 1208, 1210, 1212, 1214, 1216 durch die Klemmvorrichtungen 1204, 1206 zu einer Beabstandung der Folien 1208, 1210, 1212, 1214, 1216 kommt, ohne daß die Verwendung von Abstandshaltern notwendig ist.
Eine derartige Beabstandung kann darüber hinaus, wie in 11 dargestellt ist, durch eine besondere geometrische Ausgestaltung der Haltevorrichtungen erzielt werden. So ist in 11 ein erfindungsgemäßer elektroakustischer Wandler in Form eines Mikrophons 1250 dargestellt. Das Mikrophon 1250 weist eine Grundplatte 1252, die die elektrische Schaltung des Mikrophons 1250 trägt, auf. Ferner umfaßt das Mikrophon 1250 eine erste Haltevorrichtung 1254 und eine zweite Haltevorrichtung 1256. Zwischen den Haltevorrichtungen 1254, 1256 sind piezoelektrische Elemente in Form der Folien 1258, 1260, 1262, 1264, 1266, 1268, 1270 angeordnet. Im Gegensatz zu den Folien des Mikrophons 1200 weisen die Folien des Mikrophons 1250 jedoch im wesentlichen gleiche Längen auf. Wie 11 jedoch zu entnehmen ist, sind die Haltevorrichtungen 1254, 1256 bereichsweise V-förmig ausgebildet, so daß die Punkte, an denen die Folie 1258 an den Haltevorrichtungen 1254, 1256 befestigt sind, einen geringeren Abstand voneinander aufweisen als die Befestigungspunkte beispielsweise der Folie 1264 an den Haltevorrichtungen 1254, 1256. Auf diese Weise wird ebenfalls eine Beabstandung der Folien 1258, 1260, 1262, 1264, 1266, 1268, 1270 in den jeweiligen Entkopplungsbereichen erreicht, wodurch ebenfalls Luft und somit Schallwellen zwischen die Folien 1258, 1260, 1262, 1264, 1266, 1268, 1270 treten kann.
Obwohl in den Ausführungsbeispielen elektroakustische Wandler beschrieben wurden, deren piezoelektrische Elemente zellulare piezoelektrische Polymerfolien aufweisen, ist die Erfindung nicht auf die Verwendung auf Folien oder die Verwendung dieser Materialien beschränkt. Insbesondere können auch andere, insbesondere zellulare oder poröse Materialen, wie beispielsweise Teflon oder dergleichen, als piezoelektrisches Material eingesetzt werden.
Somit wird mit der Erfindung ein elektroakustischer Wandler, insbesondere in Form eines Mikrophons, geliefert, dessen Frequenzbereich bei einer hohen Empfindlichkeit weit über den üblichen Bereich von 20 kHz erweitert werden kann, falls dies gewünscht ist, und konstruktiv einfach sowie kostengünstig herzustellen ist. Insbesondere erfüllt das Mikrophon somit Anforderungen, um auch DVDs im Audiobereich einzusetzen, insbesondere um die hohen Speicherkapazitäten dieses Mediums dafür auszunutzen, daß auch Frequenzbereiche außerhalb des hörbaren Bereiches, insbesondere im Ultraschallbereich, aufgezeichnet werden können.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in den verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

10: Elektroakustischer Wandler
12: piezoelektrische Folie
14: piezoelektrische Folie
16: Klemmvorrichtung
18: Platine
20, 22: Haltebereich
24, 26: Entkopplungsbereich
50: Mikrophon
52: Grundplatte
54: Klemmvorrichtung
54a, 54b: Klemmelement
56, 58, 60, 62: piezoelektrische Folie
56a, 58a, 60a, 62a: erster Haltebereich
56b, 58b, 60b, 62b: erster Entkopplungsbereich
64: Abstandshalter
66: Abstandshalter
68: Abstandshalter
100: Mikrophon
102: Grundplatte
104: Klemmvorrichtung
106, 108, 110, 112: piezoelektrische Folie
106b, 108b, 110b, 112b: erster Entkopplungsbereich
106c, 108c, 110c, 112c: zweiter Entkopplungsbereich
150: Mikrophon
152: Grundplatte
154: Klemmvorrichtung
154a, 154b: Klemmelement
156, 158, 160, 162: piezoelektrische Folie
164: Abschirmung
200: elektroakustischer Wandler
202, 204, 206, 208: piezoelektrische Folie
202a, 204a, 206a, 208a: Haltebereich
210: Haltevorrichtung
202b, 204b, 206b, 208b: Entkopplungsbereich
250: piezoelektrischer Folienstreifen
252: Knick
254, 256: piezoelektrische Folie
255, 257: Knick
258: Haltevorrichtung
254a, 256a: Entkopplungsbereich
260: Haltevorrichtung
262, 264, 266, 268: piezoelektrische Folie
263, 265, 267, 269: Knick
300: piezoelektrischer Folienstreifen
302: Knick
304, 308: piezoelektrische Folie
306, 310: Knick
312, 314, 316, 318, 320,
322 324, 326, 330: piezoelektrische Folie
400: Isolationsfolienstreifen
402: piezoelektrischer Folienstreifen
404: piezoelektrischer Folienstreifen
406: Ende
408: Haltevorrichtung
410: Ende
412: Haltevorrichtung
414: Pfeil
416: Pfeil
450: Folienstapel
452, 454: Klemmvorrichtung
456, 458, 460: piezoelektrische Folie
462: Isolationsfolie
500: Folienstapel
502: piezoelektrische Folie
504: piezoelektrische Folie
506: piezoelektrische Folie
508: Klemmvorrichtung
510: Klemmvorrichtung
1200: Mikrophon
1202: Grundplatte
1204, 1206: Klemmvorrichtung
1208, 1210, 1212,
1214, 1216: piezoelektrische Folie
1208a, 1210a, 1212a,
1214a, 1216a: erster Haltebereich
1208b, 1210b, 1212b,
1214b, 1216b: Entkopplungsbereich
1208d, 1210d, 1212d,
1214d, 1216d: zweiter Haltebereich
1250: Mikrophon
1252: Grundplatte
1254, 1256: Haltevorrichtung
1258, 1260, 1262, 1264,
1266, 1268, 1270: piezoelektrische Folie
1258b, 1260b, 1262b,
1264b, 1266b, 1268b, 1270b: Entkopplungsbereich
I, II: Ausschnitt
X, X': Längsachse

Claims

Elektroakustischer Wandler (10, 50, 100, 150, 200, 1200, 1250), umfassend zumindest ein erstes piezoelektrisches Element (12, 56, 106, 156, 202, 254, 262, 304, 312, 320, 402, 456, 502, 1208, 1258) und zumindest ein elektrisch mit dem ersten piezoelektrischen Element (12, 56, 106, 156, 202, 254, 262, 304, 312, 320, 402, 456, 502, 1208, 1258) in Reihe geschaltetes, zweites piezoelektrisches Element (14, 58, 108, 158, 204, 256, 264, 308, 314, 322, 404, 458, 504, 1210, 1260), wobei die Geometrie des ersten (12, 56, 106, 156, 202, 254, 262, 304, 312, 320, 402, 456, 502, 1208, 1258) und des zweiten (14, 58, 108, 158, 204, 256, 264, 308, 314, 322, 404, 458, 504, 1210, 1260) piezoelektrischen Elementes zur Erzeugung elektrischer Signale mittels einer zumindest bereichsweisen Beaufschlagung mit Schallwellen veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (12, 56, 106, 156, 202, 254, 262, 304, 312, 320, 402, 456, 502, 1208, 1258) und das zweite piezoelektrische Element (14, 58, 108, 158, 204, 256, 264, 308, 314, 322, 404, 458, 504, 1210, 1260) jeweils zumindest einen ersten Entkopplungsbereich (24, 26, 56b, 58b, 106b, 108b, 202b, 204b, 254a, 256a, 1208b, 1210b, 1258b, 1260b) aufweisen und das erste piezoelektrische Element (12, 56, 106, 156, 202, 254, 262, 304, 312, 320, 402, 456, 502, 1208, 1258) zumindest in dem ersten Entkopplungsbereich (24, 56b, 106b, 202b, 254a, 1208b, 1258b) zumindest bereichsweise mechanisch von zumindest dem ersten Entkopplungsbereich (26, 58b, 108b, 204b, 256a, 1210b, 1260b) des zweiten piezoelektrischen Elementes (14, 58, 108, 158, 204, 256, 264, 308, 314, 322, 404, 458, 504, 1210, 1260) entkoppelt ist und sowohl das erste (12, 56, 106, 156, 202, 254, 262, 304, 312, 320, 402, 456, 502, 1208, 1258) als auch das zweite (14, 58, 108, 158, 204, 256, 264, 308, 314, 322, 404, 458, 504, 1210, 1260) piezoelektrische Element jeweils zumindest in dem ersten Entkopplungsbereich (24, 26, 56b, 58b, 106b, 108b, 202b, 204b, 254a, 256a, 1208b, 1210b, 1258b, 1260b) zumindest bereichsweise unmittelbar mit Schallwellen beaufschlagbar sind.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Geometrie des ersten (12, 56, 106, 156, 202, 254, 262, 304, 312, 320, 402, 456, 502, 1208, 1258) und/oder zweiten (14, 58, 108, 158, 204, 256, 264, 308, 314, 322, 404, 458, 504, 1210, 1260) piezoelektrischen Elementes bei einer Beaufschlagung mit Schallwellen im wesentlichen in einer Dickenänderung des ersten (12, 56, 106, 156, 202, 254, 262, 304, 312, 320, 402, 456, 502, 1208, 1258) und/oder zweiten (14, 58, 108, 158, 204, 256, 264, 308, 314, 322, 404, 458, 504, 1210, 1260) piezoelektrischen Elementes besteht.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste piezoelektrische Element (12, 56, 106, 156, 202, 254, 262, 304, 312, 320, 402, 456, 502, 1208, 1258) zumindest in dem ersten Entkopplungsbereich (24, 56b, 106b, 202b, 254a, 1208b, 1258b) zumindest bereichsweise von dem zweiten piezoelektrischen Element (14, 58, 108, 158, 204, 256, 264, 308, 314, 322, 404, 458, 504, 1210, 1260) insbesondere dem ersten Entkopplungsbereich (26, 58b, 108b, 204b, 256a, 1210b, 1260b) des zweiten piezoelektrischen Elementes (14, 58, 108, 158, 204, 256, 264, 308, 314, 322, 404, 458, 504, 1210, 1260), beabstandet ist, wobei vorzugsweise jeweils das erste (12, 56, 106, 156, 202, 254, 262, 304, 312, 320, 402, 456, 502, 1208, 1258) und/oder das zweite (14, 58, 108, 158, 204, 256, 264, 308, 314, 322, 404, 458, 504, 1210, 1260) piezoelektrische Element, insbesondere im jeweiligen ersten Entkopplungsbereich (24, 26, 56b, 58b, 106b, 108b, 202b, 204b, 254a, 256a, 1208b, 1210b, 1258b, 1260b) im wesentlichen allseitig mit Schallwellen beaufschlagbar ist bzw. sind.
Elektroakustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (12, 56, 106, 156, 202, 254, 262, 304, 312, 320, 402, 456, 502, 1208, 1258) und das zweite (14, 58, 108, 158, 204, 256, 264, 308, 314, 322, 404, 458, 504, 1210, 1260) piezoelektrische Element jeweils zumindest einen ersten Haltebereich (20, 22, 56a, 58a, 202a, 204a, 1208a, 1210a) aufweisen, wobei das erste piezoelektrische Element (12, 56, 106, 156, 202, 254, 262, 304, 312, 320, 402, 456, 502, 1208, 1258) mittels zumindest einer ersten Haltevorrichtung (16, 54, 104, 154, 210, 258, 260, 408, 452, 508, 1204, 1254) zumindest bereichsweise in dem ersten Haltebereich desselben (20, 56a, 202a, 1208a) fixierbar ist und das zweite piezoelektrische Element (14, 58, 108, 158, 204, 256, 264, 308, 314, 322, 404, 458, 504, 1210, 1260) mittels zumindest einer zweiten Haltevorrichtung (16, 54, 104, 154, 210, 258, 260, 408, 452, 508, 1204, 1254) zumindest bereichsweise in dem ersten Haltebereich (22, 58a, 204a, 1210a) desselben fixierbar ist.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (402, 456, 502, 1208, 1258) und/oder das zweite piezoelektrische Element (404, 458,504, 1210,1260) jeweils zumindest einen zweiten Haltebereich (1208d, 1210d) aufweist bzw. aufweisen, wobei das erste piezoelektrische Element (402, 456, 502, 1208, 1258) in dem zweiten Haltebereich (1208d) desselben mittels zumindest einer dritten Haltevorrichtung (412, 454, 510, 1206, 1256) fixierbar ist und/oder das zweite piezoelektrische Element (404, 458, 504, 1210, 1260) in dem zweiten Haltebereich (1210d) desselben mittels zumindest einer vierten Haltevorrichtung (412, 454, 510, 1206, 1256) fixierbar ist.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder das zweite piezoelektrische Element eine Vielzahl von zweiten Haltebereichen aufweist bzw. aufweisen und/oder eine Vielzahl von dritten und/oder vierten Haltevorrichtungen vorhanden ist.
Elektroakustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (106) und/oder das zweite piezoelektrische Element (108) jeweils zumindest einen zweiten Entkopplungsbereich (106c, 108c) aufweist bzw. aufweisen, wobei die Geometrie des ersten (106) und/oder des zweiten piezoelektrischen Elementes (108) zumindest bereichsweise zumindest in dem zweiten Entkopplungsbereich desselben (106c, 108c) zur Erzeugung elektrischer Signale mittels einer Beaufschlagung mit Schallwellen veränderbar ist, insbesondere eine Dickenänderung des ersten und/oder zweiten piezoelektrischen Elementes erzeugbar ist, und vorzugsweise das erste (106) und/oder das zweite piezoelektrische Element (108) zumindest in dem zweiten Entkopplungsbereich desselben (106c, 108c) zumindest bereichsweise mechanisch von dem zweiten (108) bzw. dem ersten piezoelektrischen Element (106) entkoppelt ist.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (106) und das zweite piezoelektrische Element (108) so angeordnet sind, daß zumindest das erste (106) und/oder das zweite piezoelektrische Element (108) jeweils zumindest in dem zweiten Entkopplungsbereich desselben (106c, 108c) zumindest bereichsweise von dem zweiten (108) bzw. ersten (106) piezoelektrischen Element beabstandet ist bzw. sind, vorzugsweise allseitig unmittelbar mit Schallwellen beaufschlagbar ist bzw. sind.
Elektroakustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (24, 26, 56b, 58b, 106b, 108b, 202b, 204b, 254a, 256a, 1208b, 1210b, 1258b, 1260b) und/oder der zweite (106c, 108c) Entkopplungsbereich des ersten (12, 56, 106, 156, 202, 254, 262, 304, 312, 320, 402, 456, 502, 1208, 1258) und/oder des zweiten (14, 58, 108, 158, 204, 256, 264, 308, 314, 322, 404, 458, 504, 1210, 1260) piezoelektrischen Elementes größer als der erste (20, 22, 56a, 58a, 202a, 204a, 1208a, 1210a) und/oder der zweite Haltebereich (1208d, 1210d) des ersten (12, 56, 106, 208, 258) bzw. des zweiten piezoelektrischen Elementes (14, 58, 108, 158, 204, 256, 264, 308, 314, 322, 404, 458, 504, 1210, 1260) ist bzw. sind.
Elektroakustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (202) und/oder das zweite (204) piezoelektrische Element zumindest bereichsweise, vorzugsweise zumindest in dem ersten und/oder (202a, 204a) zweiten Entkopplungsbereich desselben, insbesondere zur Erreichung einer Beabstandung zwischen dem ersten (202) und/oder zweiten (204) piezoelektrischen Element, eine erhöhte Oberflächenrauhigkeit aufweist bzw. aufweisen.
Elektroakustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des ersten (56, 106, 156) und/oder des zweiten piezoelektrischen Elements (58, 108, 158) zumindest ein Abstandshalter (66) anordbar ist.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein, vorzugsweise elektrisch isolierender, Abstandshalter (66) im Bereich des ersten (56b) und/oder des zweiten Entkopplungsbereiches des ersten (56) und/oder des zweiten piezoelektrischen Elementes, vorzugsweise zwischen dem ersten und dem zweiten piezoelektrischen Element, anordbar ist.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein, vorzugsweise elektrisch leitfähiger, Abstandshalter (64) angrenzend an den ersten (58a) und/oder den zweiten Haltebereich des ersten und/oder des zweiten piezoelektrischen Elementes (58), vorzugsweise zwischen dem ersten und dem zweiten piezoelektrischen Element, anordbar ist.
Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter (66) zumindest eine auf zumindest eine Oberfläche des ersten (56) und/oder des zweiten piezoelektrischen Elementes zumindest bereichsweise aufgebrachte Lackschicht, Kunststoffbeschichtung und/oder zumindest eine Schicht eines getrockneten Adhäsionsmittels umfaßt.
Elektroakustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das erste (254, 262, 304, 312, 320) und/oder das zweite (256, 264, 308, 314, 322) piezoelektrische Element zumindest ein Abstandselement (255, 257, 263, 265, 306, 310) insbesondere im Bereich des ersten (254a, 256a) und/oder zweiten Entkopplungsbereichs, umfaßt.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandselement, zumindest eine geometrische Veränderung des ersten (254, 262, 304, 312, 322) und/oder des zweiten (256, 264, 308, 314, 322) piezoelektrischen Elementes umfaßt, vorzugsweise in Form zumindest einer Erhebung, zumindest einer Vertiefung, zumindest einer Faltung und/oder zumindest eines Knicks (255, 257, 263, 265, 306, 310).
Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 7 bis 16, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von zweiten Entkopplungsbereichen des ersten und/oder des zweiten piezoelektrischen Elementes.
Elektroakustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Oberfläche, vorzugsweise zumindest zwei sich gegenüberliegende Oberflächen, des ersten (12, 56, 106, 156, 202, 254, 262, 304, 312, 320, 402, 456, 502, 1208, 1258) und/oder des zweiten piezoelektrischen Elementes (14, 58, 108, 158, 204, 256, 264, 308, 314, 322, 404, 458, 504, 1210, 1260) zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig, metallisiert ist bzw. sind.
Elektroakustischer Wandler nach einem der vorangehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (12, 56, 106, 156, 202, 254, 262, 304, 312, 320, 402, 456, 502, 1208, 1258) und das zweite piezoelektrische Element (14, 58, 108, 158, 204, 256, 264, 308, 314, 322, 404, 458, 504, 1210, 1260) zumindest bereichsweise übereinander angeordnet sind.
Elektroakustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (16, 54, 104, 154, 210, 258, 260, 408, 452, 508, 1204, 1254) und die zweite Haltevorrichtung (16, 54, 104, 154, 210, 258, 260, 408, 452, 508, 1204, 1254) die erste und die dritte, die zweite und die vierte und/oder die dritte (412, 454, 510, 1206, 1256) und die vierte Haltevorrichtung (412, 454, 510, 1206, 1256) in einem ausgeführt sind, insbesondere sich das erste (12, 56, 106, 156, 202, 254, 262, 304, 312, 320, 402, 456, 502, 1208, 1258) und/oder zweite piezoelektrische Element (14, 58, 108, 158, 204, 256, 264, 308, 314, 322, 404, 458, 504, 1210, 1260) mittels der Fixierung durch die erste (16, 54, 104, 154, 210, 258, 260, 408, 452, 508, 1204, 1254), zweite (16, 54, 104, 154, 210, 258, 260, 408, 452, 508, 1204, 1254), dritte (412, 454, 510, 1206, 1256) und/oder vierte (412, 454, 510, 1206, 1256) Haltevorrichtung zumindest bereichsweise, vorzugsweise in dem ersten (20, 22, 56a, 58a, 202a, 204a, 1208a, 1210a) und/oder zweiten (1208d, 1210d) Haltebereich, zur Erreichung der elektrischen Reihenschaltung direkt oder indirekt kontaktieren.
Elektroakustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (12, 56, 106, 156, 202, 254, 262, 304, 312, 320, 402, 456, 502, 1208, 1258) und/oder das zweite piezoelektrische Element (14, 58, 108, 158, 204, 256, 264, 308, 314, 322, 404, 458, 504, 1210, 1260) zumindest bereichsweise folienförmig ausgebildet ist bzw. sind.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Folie im Bereich von 0,5 μm bis 500μm, vorzugsweise im Bereich von 20 μm bis 150μm, noch bevorzugter im Bereich von 30 bis 80 μm liegt.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite und/oder die Länge des ersten und/oder des zweiten piezoelektrischen Elementes im Bereich von 0,5mm bis 500mm, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 20mm, noch bevorzugter im Bereich von 3 bis 10 mm liegt.
Elektroakustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektroakustische Wandler sensitiv für Schallwellen im hörbaren, im Infraschall- und/oder im Ultraschallfrequenzbereich ist.
Elektroakustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (156) und/oder das zweite (158) piezoelektrische Element zumindest bereichsweise von zumindest einer luft- und/oder schalldurchlässigen, geerdeten Abschirmung (164), die vorzugsweise zumindest bereichsweise ein Metallgitter umfaßt, umgeben ist.
Elektroakustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine Vielzahl von zweiten elektrisch in Reihe geschalteten piezoelektrischen Elementen (58, 60, 62, 108, 110, 112, 158, 160, 162, 204, 206, 208, 264, 266, 268, 314, 316, 318, 322, 324, 326, 328, 330, 458, 460, 462, 504, 506, 1210, 1212, 1214, 1216, 1260, 1262, 1264, 1266, 1268, 1270), wobei zumindest zwei zweite piezoelektrische Elemente (58, 60, 62, 108, 110, 112, 158, 160, 162, 204, 206, 208, 264, 266, 268, 314, 316, 318, 322, 324, 326, 328, 330, 458, 460, 462, 504, 506, 1210, 1212, 1214, 1216, 1260, 1262, 1264, 1266, 1268, 1270) zumindest in einem der ersten (58b, 60b, 62b, 108b, 110b, 112b, 204b, 206b, 208b, 1212b, 1214b, 1216b) und/oder einem der zweiten Entkopplungsbereich (108c, 110c, 112c) mechanisch voneinander entkoppelt sind.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten piezoelektrischen Elemente (58, 60, 62, 108, 110, 112, 158, 160, 162, 204, 206, 208, 264, 266, 268, 314, 316, 318, 322, 324, 326, 328, 330, 458, 460, 462, 504, 506, 1210, 1212, 1214, 1216, 1260, 1262, 1264, 1266, 1268, 1270) so angeordnet sind, daß zumindest eines der zweiten piezoelektrischen Elemente (58, 60, 62, 108, 110, 112, 158, 160, 162, 204, 206, 208, 264, 266, 268, 314, 316, 318, 322, 324, 326, 328, 330, 458, 460, 462, 504, 506, 1210, 1212, 1214, 1216, 1260, 1262, 1264, 1266, 1268, 1270) zumindest in einem der ersten (58b, 60b, 62b, 108b, 110b, 112b, 204b, 206b, 208b, 1210b, 1212b, 1214b, 1216b) und/oder einem der zweiten Entkopplungsbereiche (108c, 110c, 112c) zumindest bereichsweise von zumindest einem weiteren zweiten piezoelektrischen Element (58, 60, 62, 108, 110, 112, 158, 160, 162, 204, 206, 208, 264, 266, 268, 314, 316, 318, 322, 324, 326, 328, 330, 458, 460, 462, 504, 506, 1210, 1212, 1214, 1216, 1260, 1262, 1264, 1266, 1268, 1270) beabstandet ist, vorzugsweise allseitig unmittelbar mit Schallwellen beaufschlagbar ist, wobei insbesondere jeweils zumindest ein Abstandshalter, insbesondere im Bereich des ersten und/oder zweiten Entkopplungsbereichs und/oder im Bereich des ersten und/oder zweiten Haltebereichs, im Bereich jedes zweiten piezoelektrischen Elementes anordbar ist.
Elektroakustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (1208b) bzw. der zweite Entkopplungsbereich des ersten piezoelektrischen Elementes (1208) und der erste (1210b) bzw. zweite Entkopplungsbereich des bzw. der zweiten piezoelektrischen Elemente(s) (1210) zur Erzeugung einer Beabstandung des ersten (1208) und zweiten piezoelektrischen Elementes (1210) und/oder zumindest zweier zweiter piezoelektrischer Elemente, insbesondere im Bereich des ersten bzw. zweiten Entkopplungsbereiches des ersten und des/der zweiten piezoelektrischen Elemente(s), unterschiedliche geometrische Abmessungen, insbesondere unterschiedlich Längen, aufweisen.
Elektroakustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer zumindest bereichsweisen Beabstandung des ersten (1258) und des zweiten piezoelektrischen Elementes (1260) und/oder zumindest zweier zweiter piezoelektrischer Elemente der erste und/oder der zweite Haltebereich des ersten piezoelektrischen Elementes (1258) zumindest bereichsweise zum ersten und/oder zweiten Haltebereich des/der zweiten piezoelektrischen Elemente(s) (1260) und/oder der erste und/oder der zweite Haltebereich zweier zweiter piezoelektrischer Elemente, insbesondere mittels der geometrischen Ausgestaltung der ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Haltevorrichtung (1254, 1256) zueinander versetzt ist bzw. sind.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, zweite, dritte und/oder vierte Haltevorrichtung (1254, 1256) zumindest bereichsweise V-, U- und/oder L-förmig ausgebildet ist bzw. sind.
Elektroakustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (12, 56, 106, 156, 202, 254, 262, 304, 312, 320, 402, 456, 502, 1208, 1258) und das bzw. die zweite(n) piezoelektrische(n) Element(e) (58, 60, 62, 108, 110, 112, 158, 160, 162, 204, 206, 208, 264, 266, 268, 314, 316, 318, 322, 324, 326, 328, 330, 458, 460, 462, 504, 506, 1210, 1212, 1214, 1216, 1260, 1262, 1264, 1266, 1268, 1270) in Form zumindest eines Stapels, insbesondere eines Folienstapels (450, 500), angeordnet sind.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel (450, 500), insbesondere zur Erzielung einer Beabstandung zwischen dem ersten piezoelektrischen Element (402, 456, 502) und dem zweiten (404, 458, 504) piezoelektrischen Element und/oder zwischen zumindest zwei zweiten piezoelektrischen Elementen (458, 460, 462, 504, 506) spiralförmig, meanderförmig, zieharmonikaförmig, kegelförmig, v-förmig, u-förmig und/oder halbkreisförmig ausgebildet ist.
Elektroakustischer Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (12, 56, 106, 156, 202, 254, 262, 304, 312, 320, 402, 456, 502, 1208, 1258) und/oder das zweite (14, 58, 108, 158, 204, 256, 264, 308, 314, 322, 404, 458, 504, 1210, 1260) bzw. die zweiten piezoelektrische(n) Element(e) (58, 60, 62, 108, 110, 112, 158, 160, 162, 204, 206, 208, 264, 266, 268, 314, 316, 318, 322, 324, 326, 328, 330, 458, 460, 462, 504, 506, 1210, 1212, 1214, 1216, 1260, 1262, 1264, 1266, 1268, 1270) ein zelluläres und/oder poröses Material mit Elektreteigenschaften, insbesondere umfassend einen Polymerschaum, vorzugsweise basierend auf Polypropylen, ein Fluorpolymer, wie Polyvinylidenfluorid, und/oder ein Fluorethylen, wie Polytetrafluorethylen, vorzugsweise Polytetrafluorethylen-FEP, umfaßt.
Verwendung eines elektroakustischen Wandlers (10, 50, 100, 150, 200, 1200, 1250) nach einem der vorangehenden Ansprüche als Audio-, Ultraschall- und/oder Infraschallmikrophon.