DE1131741B

DE1131741B - Electrostrictive membrane for an electroacoustic transducer

Info

Publication number: DE1131741B
Application number: DES72357A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Richard Karmann; Dr-Ing Erich Berger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1961-02-03
Filing date: 1961-02-03
Publication date: 1962-06-20

Description

Elektrostriktive Membran für einen elektroakustischen Wandler Die Erfindung bezieht sich auf eine kreisförmige Membran für einen elektroakustischen Wandler, die am Rand eingespannt und aus mehreren Schichten zusammengesetzt ist, wobei wenigstens eine dieser Schichten aus elektrostriktivem Material besteht und wenigstens eine der auf beiden Seiten jeder elektrostriktiven Schicht angeordneten kreisförmigen Elektroden durch eine konzentrische Kreisringzone unterbrochen ist und die sich beiderseits der Kreisringzone befindenden Zonen der Membran durch geeignete Polung der Elektroden bzw. durch geeignete Polarisation der elektrostriktiven Schicht bei elektrischer Erregung mechanisch entgegengesetzt wirken.Electrostrictive membrane for an electroacoustic transducer Die Invention relates to a circular diaphragm for an electroacoustic Transducer, which is clamped at the edge and composed of several layers, wherein at least one of these layers consists of electrostrictive material and at least one of those disposed on both sides of each electrostrictive layer circular electrodes is interrupted by a concentric annulus zone and the zones of the membrane located on both sides of the annular zone by suitable ones Polarization of the electrodes or suitable polarization of the electrostrictive layer mechanically counteracting electrical excitation.

Es ist bereits eine Membran dieser Art bekannt (deutsche Patentschrift 1065 880), bei der die auf beiden Seiten jeder elektrostriktiven Schicht angeordneten Elektroden an den Stellen der Änderung des Krümmungssinnes der Membran (Wendekreis) in einem schmalen Bereich unterbrochen sind.A membrane of this type is already known (German patent specification 1065 880) in which the electrodes arranged on both sides of each electrostrictive layer are interrupted in a narrow area at the points where the direction of curvature of the membrane changes (turning circle).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Membran hinsichtlich der Empfindlichkeit bzw. bei vorgegebener Erregung hinsichtlich der abgegebenen Schalleistung zu verbessern.The invention is based on the object of such a membrane the sensitivity or with a given excitation with regard to the delivered To improve sound performance.

Die Aufgabe ist für eine Membran der einleitend genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich die Kreisringzone im wesentlichen über einen Bereich von bis des Einspannradius der Membran erstreckt.The object is achieved according to the invention for a membrane of the type mentioned in the introduction in that the annular zone extends essentially over an area of until the clamping radius of the membrane extends.

Während bei der bekannten Ausführungsform einer elektrostriktiven Membran die Elektroden an dem Wendekreis nur in einem schmalen Bereich unterbrochen sind, ist bei der erfindungsgemäßen Membran dieser Bereich wesentlich vergrößert, und zwar nicht um den Wendekreis herum, sondern vom Wendekreis ausgehend nach außen. Es hat sich gezeigt, daß die Empfindlichkeit des Wandlers nicht am größten ist, wenn, wie bei der bekannten Ausführungsform, möglichst die gesamte Membranfläche bis auf schmale Unterbrechungen längs des Wendekreises für die elektromechanische Umwandlung ausgenutzt ist, sondern wenn der elektrodenfreie Bereich größer ist. Die Empfindlichkeit bzw. die abgestrahlte Schallenergie ist am größten, wenn sich die elektrodenfreie Kreiszone, vom Wendekreis der Membran ausgehend, also von bis zu des Einspannradius erstreckt. Es ist auch vorteilhaft und im Sinne einer Empfindlichkeitserhöhung, wenn bei einer aus zwei elektrostriktiven Schichten bestehenden Membran zwisehen den Schichten kein Träger vorgesehen ist, sondern die beidseitig metallisierten elektrostriktiven Schichten unmittelbar miteinander verbunden sind. Dies setzt aus konstruktiven Gründen in der Regel voraus, daß an den Seiten, an denen die elektrostriktiven Schichten zusammengefügt sind, die Elektroden nicht unterbrochen sind. Dies ist aber kein Nachteil, da es Schaltungsmöglichkeiten für die Belegungen der elektrostriktiven Schichten gibt, die eine derartige Ausbildung erlauben.While in the known embodiment of an electrostrictive membrane the electrodes at the turning circle are only interrupted in a narrow area, in the membrane according to the invention this area is significantly enlarged, not around the turning circle, but outwards from the turning circle. It has been shown that the sensitivity of the transducer is not greatest when, as in the known embodiment, as far as possible the entire membrane area except for narrow interruptions along the turning circle is used for the electromechanical conversion, but when the electrode-free area is larger. The sensitivity or the radiated sound energy is greatest when the electrode-free circular zone, starting from the turning circle of the membrane, i.e. from extends up to the clamping radius. It is also advantageous and in the sense of an increase in sensitivity if, in the case of a membrane consisting of two electrostrictive layers, no carrier is provided between the layers, but rather the electrostrictive layers metallized on both sides are directly connected to one another. For structural reasons, this generally presupposes that the electrodes are not interrupted on the sides on which the electrostrictive layers are joined. However, this is not a disadvantage, since there are circuit options for the coverings of the electrostrictive layers which allow such a design.

Die Erfindung wird durch zwei Ausführungsbeispiele an Hand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.The invention is illustrated by two exemplary embodiments on the basis of FIGS. 1 to 3 explained in more detail.

In den Fig. 1 und 3 ist hierbei je eine aus zwei elektrostriktiven Schichten bestehende Membran im Schnitt dargestellt; in Fig. 2 ist die Membran nach Fig. 1 in der Draufsicht gezeigt.In FIGS. 1 and 3, one of two is electrostrictive Layered membrane shown in section; in Fig. 2 the membrane is after Fig. 1 shown in plan view.

Die Membran 1 der Fig. 1 ist am Rand in einen Ring 2 eingespannt und besteht aus den beiden elektrostriktiven Schichten 3 und 4 und den Scheibenförmigen Elektroden 5 bis 9. Die Elektrode 5 erstreckt sich hierbei über den gesamten Querschnitt der Meinbran, während die Elektroden 6 und 7 in Form von Kreisscheiben nur den inneren Bereich der Membran und die Elektroden 8 und 9 in Form von Kreisringscheiben nur den äußeren Bereich der Membran bedecken. Dazwischen befinden sich auf beiden Seiten der Membran die Kreisringzonen 1ƒ und 11, die frei von Metallbelägen sind. Die freie Kreisringzone erstreckt sich erfindungsgemäß im wesentlichen über einen Bereich von bis des Einspanuradius der Membran. Die beiden elektrostriktiven Schichten der Membran sind in Richtung der Membranachse polarisiert, und zwar ist der sich zwischen den zentralen Elektroden 6 und 7 befindende Bereich entgegengesetzt zu dem sich zwischen den äußeren Elektroden 8 und 9 befindenden Bereich polarisiert. Die." Pölarise(ionsri-chtungen- dieser Bereiche sind duch die Pfeile 12"ünd 13 angedeutet. Bei einer derartigen Polarisation wird eine mechanische Beeinflussung der Membran, wie sie einleitend vorausgesetzt war - die elektrostriktiven Schichten sollten im äußeren Bereich der Membran mechanisch entgegengesetzt zu denen im inneren Bereich wirken -, dann erzielt, wenn alle sich auf den Außenseiten der Membran befindenden Elektroden 6; 7, 8 und 9 zu einem Pol zusammengefaßt sind und der andere Pol durch die sich zwischen den elektrostriktiven Schich-_ ten befindende Elektrode 5 gebildet -wird. Diese Zuordnung der Elektroden ist -in Fig: 1 durch ein Schaltbild schematisch angedeutet. Sie entspricht einer Parallelschaltung der elektrostriktiven Schichten und zeichnet sich infolgedessen durcIreinen niedrigen Eingangswiderstand aus. Ist ein hoher Eingangswiderstand erwünscht, so kann auch bei gleicher Ausbildung der Elektroden eine Serienschaltung vorgenommen werden; sie setzt allerdings voraus, daß auch die Polarisation geändert wird.The membrane 1 of FIG. 1 is clamped at the edge in a ring 2 and consists of the two electrostrictive layers 3 and 4 and the disk-shaped electrodes 5 to 9. The electrode 5 extends over the entire cross section of the Meinbran, while the electrodes 6 and 7 in the form of circular disks only cover the inner region of the membrane and the electrodes 8 and 9 in the form of circular ring disks only cover the outer region of the membrane. In between there are the circular ring zones 1ƒ and 11 on both sides of the membrane, which are free of metal deposits. According to the invention, the free annular zone extends essentially over an area of until the clamping radius of the membrane. The two electrostrictive layers of the membrane are polarized in the direction of the membrane axis, specifically the area located between the central electrodes 6 and 7 is polarized opposite to the area located between the outer electrodes 8 and 9. The polarization (ion directions- of these areas are indicated by arrows 12 ”and 13. With such a polarization, the membrane is mechanically influenced as it was initially assumed - the electrostrictive layers in the outer area of the membrane should be mechanically opposed to which act in the inner area - is achieved when all the electrodes 6, 7, 8 and 9 located on the outer sides of the membrane are combined to form one pole and the other pole is formed by the electrode 5 located between the electrostrictive layers . -is This assignment of the electrodes - in Fig.:. diagrammatically indicated by a circuit diagram 1 corresponding to a parallel connection of the electrostrictive layers and is characterized durcIreinen consequently low input resistance of If a high input impedance is desired, it may also for the same formation of the electrodes a Series connection; however, it requires a us that the polarization is also changed.

Aus der Draufsicht der erfindungsgemäßen Membran in Fig. 2 sind die für die Erfindung wesentlichen Radien 14, 15 und 16 ersichtlich. Die metallfreie Kreisringzone erstreckt sich hierbei von dem Radius bis zum Radius des Einspann- radius, der mit 16 bezeichnet ist. Die notwendige galvanische Verbindung zwischen den Elektroden 4 und 8 ist durch einen Steg 17 realisiert. Diese Verbindung darf allerdings erst nach dem Polarisieren der beiden elektrostriktiven Schichten vorgenommen werden.From the top view of the membrane according to the invention in FIG. 2, the radii 14, 15 and 16 essential for the invention can be seen. The metal-free annular zone here extends from the radius up to the radius of the clamping radius, which is denoted by 16. The necessary galvanic connection between the electrodes 4 and 8 is implemented by a web 17. However, this connection may only be made after the two electrostrictive layers have been polarized.

In Fig.3 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Membran dargestellt, die auf Grund einer anderen Polarisation einen einfacheren Anschluß der Metallbeläge ermöglicht als die Ausführungsform nach Fig. 1. Bei gleichem konstruktivem Aufbau wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sind bei der in Fig. 3 dargestellten Membran die beiden elektrostriktiven Schichten des zentralen Bereiches nicht in gleicher Richtung, sondern entgegengesetzt polarisiert. Der der äußeren Elektrode zugeordnete Bereich einer elektrostriktiven Schicht ist wiederum entgegengesetzt polarisiert zu dem der zentralen Elektrode zugeordneten Bereich der gleichen Schicht. Die Polarisation ist durch die Pfeile 17 bis. 20 in der Fig. 3 angedeutet. Bei einer Polarisation in dieser Art brauchen nur die auf der Außenseite der Membran liegenden Elektroden angeschlossen zu werden. Die sich zwischen den elektrostriktiven Schichten befindende Elektrode wird nur für die Polarisation der elektrostriktiven Schichten benötigt. Diese Ausführungsform benötigt den halben Strom und die doppelte Spannung wie eine Ausführungsform gleicher geometrischer Abmessungen nach Fig. 1.In FIG. 3, an embodiment of a membrane according to the invention is shown which, due to a different polarization, enables a simpler connection of the metal coatings than the embodiment according to FIG. 1. With the same structural design as in the embodiment according to FIG. 3, the two electrostrictive layers of the central area are not polarized in the same direction, but in opposite directions. The area of an electrostrictive layer assigned to the outer electrode is in turn polarized in the opposite direction to the area of the same layer assigned to the central electrode. The polarization is indicated by the arrows 17 to. 20 indicated in FIG. 3. With a polarization of this type, only the electrodes on the outside of the membrane need to be connected. The electrode located between the electrostrictive layers is only required for the polarization of the electrostrictive layers. This embodiment requires half the current and twice the voltage as an embodiment of the same geometric dimensions according to FIG. 1.

Claims

- PATENT CLAIMS: 1. Circular membrane for an electroacoustic transducer, which is clamped at the edge and composed of several layers, at least one of these layers consists of electrostrictive material and at least one of the circular electrodes arranged on both sides of each electrostrictive layer through a concentric annular zone the membrane is broken üüd` extending on both sides of the circular annular zone that are available zones act mechanically opposed by appropriate polarity of the electrodes or by suitable polarization of the electrostrictive layer when electrically energized ', characterized in that the annular zone (10 or 11) substantially over a range of until the clamping radius of the membrane extends.

2. Circular membrane according to claim 1, characterized in that that the membrane consists of two electrostrictive layers (3 and 4) and only those Disc-shaped electrodes lying on the outside of the membrane are interrupted are.

3. Circular membrane according to claim 2, characterized in that the electrostrictive Layers are polarized in the direction of the membrane axis, namely the central one The area assigned to electrodes (6 or 7) is opposite (cf. 12) to that of the outer area Electrodes (8 or 9) assigned area (see FIG. 13), and that all relate to the Electrodes (6, 7, 8, 9) located on the outside of the membrane are combined to form a pole and the electrode located between the two electrostrictive layers (5) forms the other pole (Fig. 1).

4. Circular membrane according to claim 2, characterized characterized in that the electrostrictive layers in the direction of the membrane axis are polarized, namely the superimposed electrostrictive layers opposite to each other and the one assigned to the central electrodes (6 or 7) Area of an electrostrictive layer opposite (see. 17 or 18) to the the outer electrodes (8 or 9) associated with the same electrostrictive area Layer (see. 19 or 20) and that the one located on one side of the membrane Electrodes (6, 8) one pole and the one on the other side of the membrane Electrodes (7, 9) form the other pole (Fig. 3).