DE1762509A1

DE1762509A1 - Piezoelektrischer Wandler

Info

Publication number: DE1762509A1
Application number: DE19681762509
Authority: DE
Inventors: Schafft Hugo Willy
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1967-08-28
Filing date: 1968-06-28
Publication date: 1970-10-29
Also published as: US3588381A; DE6609583U; FR1578513A

Description

Abschrift/goe

20. Juni 1968 Gzl/ri

MOTOROLA, Inc.

Piezoelektrischer Wandler.

In den letzten Jahren haben sich piezoelektrische Materialien für die Umwandlung elektrischer in mechanische Signale zunehmend durchgesetzt. Ein piezoelektrischer Wandler hat nicht die Nachteile elektromagnetischer Wandler vrie große Abmessungen, Anfälligkeit gegen Windungsschluß und geringe Zuverlässigkeit.

Es sind bereits viele Vorschläge für die Verwendung piezoelektrischer Materialien in eine» Wandler zur Umwandlung zwischen elektrischen und Tonsignalen gemacht worden, jedoch richten sich die meisten auf Schallwellenwandler für hohe Frequenzen, bei denen die kapazitiven Eigenschaften des piezo elektrischen Materials für das notwendige Ausgangssignal bei höheren Prequenzen verantwortlich sind. Da die Resonanzfrequenz eines bimorphen piezoelektrischen Wandlers umgekehrt proportional zu seiner Fläche ist, würde ein vernünftiges Aus gangssignal bei niedrigen Frequenzen einen Wandler mit so großen Abmessungen erfordern, daß er dünn und unpraktisch würde, so daß bei der Umwandlung zwischen elektrischen und mechanischen Signalen Verluste auftreten wurden.

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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung eines Wandlers, welcher auch im unteren Tonfrequenzbereich eine Umwandlung zwischen elektrischen und Tonsignalen bewirken kann. Perner soll der Wandler Energie zwischen einer elektrischen Schaltung und einer Membran übertragen und eine relativ geringe Größe haben·

Zur Lösung dieser Aufgabe umfaßt der erfindungsgemäße Wandler ein oder mehrere bimorphe Schwinger, die je einen Kantenteil und einen Mittenteil haben· Einer der Teile ist mechanisch mit einem axial beweglichen Teil einer Membran verbunden, und der andere Teil ist über ein Abstandsstück an einem Bezugsträger befestigt, um eine axiale Bewegung dieses anderen Teils gegenüber dem Träger zu verhindern, während eine axiale Bewegung des ersten Teiles möglich ist.

Insbesondere umfaßt der Wandler eine Membran mit einer Achse und einem axial beweglichen Teil. Er enthält ferner ein piezoelektrisches Sydtem mit einem ersten und einem zweiten, in gegenseitigem Abstand angeordneten bimorphen Schwinger einer vorbestimmten Polarisation, deren jeder sich senkrecht zur Aphse der Membran erstreckt· Ein gelenkigen den Kantenteilen der Schwinger gelagertes Abstandsstück hält den Abstand zwischen diesen Teilen praktisch konstant, erlaubt jedoch unabhängige axiale Bewegungen der einzelnen Fortsätze der Schwinger·· Die Schwinger sind entsprechend ihrer jeweiligen Polarisierung

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elektrisch miteinander verbunden, so daß sie sich bei Anregung in entgegengesetzten Richtungen durchbiegen. Der Mittenabschnitt des einen Schwingers ist mechanisch mit dem axial beweglichen Zeil der Membran verbunden, so daß mechanische Signale übergekoppelt werden, während der mittlere Teil des anderen Schwingers fest am Träger befestigt ist. Dadurch wird μ das übertragungsverhalten des Wandlers bei niedrigen Frequenzen verbessert, weil einmal die wirksame Fläche vergrößert ist und zum anderen seine Auslenkung über den gesamten Frequenzbereich, in dem der Wandler arbeitet, vergrößert ist.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Darstellungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung.

Es zeigen: "

Fig. l einen Schnitt durch einen gemäß der Erfindung aufgebauten Lautsprecher,

Fig. 2 einen verkleinerten Schnitt gemäß der Linie 2-2 von Fig. I₁

Fig. 3 eine schematische vergrößerte Seitenansicht der beiden Schwinger und des verbindenden Abstandsstückes des Lautsprechers nach Fig. 1,

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Fig. 3a eine perspektivische Ansicht des Abstandsstückes nach Fig. 3»

Fig. 4 die Durchbiegungeverteilung der Schwinger nach Fig. 3,

Fig. 5 eine schematische vergrößerte Seitenansicht einer Mehrzahl von Schwingern entsprechend einer anderen Aueführungsform der Erfindung,

Fig. 6 die Durchbiegungeverteilung der Schwinger nach Fig. 5,

Fig. 7 eine weitere Aueführungsform der Erfindung,

Fig. 7a die Durchbiegungeverteilung der Schwinger nach Fig. 7,

Fig. 8 eine Antriebeart einer Membran von einem Schwinger,

Fig. 9 die Durchbiegungaverteilung des Schwinger· nach Fig. 8,

Flg. IO eine weitere Aueführungeform der Erfindung, und

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Fig. 11 eine Veranschaulichung der Verwendung der Ausführungsform nach Pig· IO bei einem Lautsprecher.

Die Fig* 1 und 2 zeigen einen Wandler in Form eines in ein Gehäuse 10 eingebauten Lautsprechers mit einem Korb 12 und einer an diesem mit Hilfe eines Paares von Befestigungsstücdcen l6 λ und l8 angebrachten ringförmigen Platte l4. Der Wandler enthält eine nachgiebige Membran 20 mit einer Spitze 22, die entlang der Membranachse beweglich ist, wenn sie mechanisch angeregt wird. Die Membran hat eine Anzahl von Eigenresonanzstellen innerhalb eines Frequenzbereiches, der hauptsächlich durch ihre Größe bestimmt ist, und je weiter der vom Lautsprecher wiederzugebende Frequenzbereich ist, desto größer muß die Membran sein. Infolge der Anzahl von Eigenresonanzstellen ist der Verlauf des Übertragungsbereiches innerhalb eines Resonanzbereiches relativ flach im Verhältnis zur Resonanzspitze einer ™ Resonanzschaltung.

Das piezoelektrische System 24 zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie durch eine axial· Bewegung der Maabranspitze 22 ist im einzelnen in Pig· 3 dargestellt und enthält zwei Schwinger 26 und 26'· Der Schwinger 26 besteht aus zwei piezoelektrischen Platten 28 und 30, die im Interesse eines maximalen elektromechanischen Wirkungsgrades eine

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runde Form haben. Die Platten sind mittels eines Harzes oder dergleichen aneinander befestigt, wobei zwischen ihren Innenflächen eine Zwischenelektrode 32 angeordnet ist· Der Wandler 26 hat ferner ein Paar Außenelektroden 3d und 36, welche auf die entsprechenden äußeren Flächen aufplattiert sein können. ^ Die entsprechenden Teile des Schwingers 26* sind mit gleichen Bezugsziffern und einem Strich gekennzeichnet. Die äußeren Elektroden Jk und 36 des Schwingers 26 und die äußeren Elektroden Jk* und 36' des Schwingers 26' sind miteinander und mit einer Eingangsklemme 38 verbunden. Die Zwischenelektroden 32 und 32* sind mit einer zweiten Eingangsklemme kO verbunden. Den Eingangskiemmen 38 und 40 wird von einer Signalquelle 46 aus ein elektrisches Signal innerhalb des Tonfrequenzbereiches zugeführt.

P Für die folgende Erklärung der Wirkungsweise des Schwingers 26 bei der Umwandlung elektrischer Signale in entsprechende mechanische Signale zum Antrieb der Membran 20 sei angenommen, daß der Schwinger nicht befestigt ist. Die Platten 28 und 30 sind dauernd in Richtungen polarisiert, welche durch die Pfeile kQ bzw. 50 angegeben sind. Wenn das elektrische Signal am Anschluß 38 gegenüber dem Anschluß kO positiv ist, dann ist das elektrische Feld in der entsprechenden Platte in Richtung der Pfeile 52 und 54 gerichtet. Da das elektri-

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sehe Feld in der Platte 28 die gleiche Richtung wie die Polarisation hat, zieht sich die Platte 28 radial nach innen in Pfeilrichtung 56 zusammen. Da in der Platte 30 die Polarisation und das elektrische Feld entgegengesetzt gerichtet sind, dehnt sich die Platte 30 nach außen in Pfeilrichtung 58 aus. Der Schwinger 26 ist relativ dünn ausgebildet, so daß er sich längs seiner Axialabmessung durchbiegt, wobei er sich bei den vorstehend beschriebenen Verhältnissen zwischen Polarisation und elektrischen Feldern in seinem Mittelteil axial nach oben in Pfeilrichtnng 60 durchbiegt.

Bei Annahme der gleichen Funktionsweise des Schwingers 6O¹ und einer Polarisation in Richtung der Zeile 48* und 50* biegt sich der Schwinger 26' in der entgegengesetzten Richtung entsprechend dem Pfeil 62 durch, wenn der Anschluß 28 positiv gegenüber dem Anschluß 40 ist. Bei Umkehr der Polarität zwi- | sehen den Anschlüssen 38 und 40 kehren sich die elektrischen Felder im Schwinger 26 um, so daß sich die Platte 28 radial nach außen ausdehnt und die Platte 30 radial nach innen zusammenzieht, so daß der Schwinger 26 in seiner Mitte in Pfeilrichtung 64 durchbiegt. Entsprechend biegt sich der Schwinger 26' in der durch den Pfeil 66 angedeuteten entgegengesetzten Richtung durch. Bei Anlegen eines Wechselspannungssignals an die Anschlüsse 38 und 40 schwingen die Schwinger 26 und 26'

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gleichzeitig in entgegengesetzten Richtungen. Für diese entgegengesetzte Schwingungsrichtung kann eine Vielzahl von Verbindungen der Elektroden mit den Eingangsanschlüesen mit Bezug auf die Polarisation der Platten verwendet werden, von denen die vorbeschriebene nur als Beispiel angegeben ist.

™ Ein Gelenkstück oder Abstandsstück 66 von beispielsweise Ringform zur Anpassung an die Form der Schwinger ist im Querschnitt dargestellt. Das Abstandsstück hat ringnutenförmige Teile 69 und 69·, die entsprechend an den Umfangskanten der Schwinger 26 und 26* gelenkig befestigt sind und im Idealfall einen festen Abstand zwischen den Schwingern aufrechterhalten, wenn sich diese durchbiegen, so daß ihre Kanten sich gegenseitig nicht bewegen; diese Konstruktion erlaubt auch, daß der Mittelpunkt der Rundkanten praktisch feststehend bleibt,

fc während die Seiten der Kanten um diesen Mittelpunkt schwingen. Die Verluste einer solchen Anordnung sind wesentlich niedriger, als wenn die Kanten fest eingespannt wären. Im Interesse einer klareren Darstellung sind die Abmessungen der Abstandsstücke nicht im richtigen Verhältnis gezeichnet, in der Praxis kann der Abstand zwischen den Nutenteilen 69 und 69* des Abstandsstückes 66 etwa achtmal so groß wie die Dicke jedes Schwingers sein. Das Abstandsstück 66 soll so ausgebildet sein, daß sich die Schwinger frei und unabhängig in axialer

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Richtung entlang ihren getrennten Ausdehnungen bewegen können. Fig. 3a zeigt ein Abstandsstück, das aus Aluminium besteht und die Form einer gebogenen Leiter mit Quersprossen

67 hat, welche den Abstand zwischen den Nutenteilen 69 und 69* praktisch konstant halten. Die Schwinger 26 und 26· sind entsprechend an diesen Teilen befestigt. Die Quersprossen 67 biegen sich in ihren Mi ttenab schnittt en durch, so daß die Schwinger sich axial nach oben und unten bewegen können.

In Fig. k& ist der Schwinger 26 mit einer Ruhestellungslinie

68 und der Schwinger 26* mit einer Ruhestellungslinie 68* dargestellt, wobei die Umfangskanten in einem Abstand 70 durch das Abstandsstück 66 getrennt sind. Venn die Polarität der elektrischen Signale so gerichtet ist, daß sich die Schwinger 26 und 26' entsprechend den Pfeilen 60 und 62 nach Fig. 3 durchbiegen, dann verläuft ihre Durchbiegung entsprechend den \ gestrichelten Linien 72 und 72*, wobei sich ihre Mitten um die Abstände 7k und 74' bewegen. Kehrt sich die Polarität der elektrischen Signale um, dann verlaufen die Durchbiegungen nach den gestrichelten Linien 76 und 76'1 wobei sich die Mitten um die Abstände 78 und 78* bewegen· Da die Schwinger ein· rund· Form haben, veranschaulichen die dargestellten Durchbiegungen die tatsächlichen "Ausbeulungen¹¹ der Schwinger·

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Entsprechend Fig. 1 ist der mittlere Teil der oberen Fläche des Schwingers 26 fest an einem Vorsprung 79 der Ringplatte Ik mit Hilfe eines Harzes oder dergleichen befestigt, so daß bei einer Durchbiegung des Schwingers 26 entsprechend der gestrichelten Linie 72 die Umfangekante des Schwingers 26 sich

^ von der Ruhelage 68 um einen Abstand 82 nach unten biegt (entsprechend dem Durchbiegungsverlauf 8o von Fig. 4b), welcher gleich dem Abstand 7k ist, um den sich das Mittelstück bewegen würde, wenn Ar Schwinger nicht befestigt wäre. Da das Abstandsstück 66 den Abstand 70 zwischen den Umfangskanten festhält, wird die Ruhelinie des Schwingers 26' um einen Abstand 8k nach unten verschoben, welcher gleich dem Abstand 82 ist, um den sich die gesamte Durchbiegungsverteilung nach unten verschient, so daß die Gesamtauslenkung des Mittelteiles der unteren Fläche aus der Ruhelage 68* gleich der Entfernung 86

w ist, welche doppelt so groß wie die Entfernung 7%' in Fig. %a ist. Da die ^Spitze 22 der Membran 20 mit dem Mittelteil des Schwingers 26* beispielsweise durch ein Harz verbunden ist, erzeugt die Membran eine Schallwelle, deren Größe proporional im Abstand 86 ist.

Kehrt sich die Polarität des elektrischen Signal« um, so daß der Schwinger 26 sich entsprechend der gestrichelten Linie durchbiegt, dann wird eine solche Bewegung auch unterbunden·

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Daher bewegt sich seine Umfangskante entsprechend dem Durchbiegungsverlauf 92 von Fig. 4c aus der Ruhelage 68 um einen Abstand 90 nach oben, welcher gleich dem Abstand 78 in Fig. 4a ist. Der Abstand 70 zwischen der Umfangskante wird durch das Abstandsstück 66 festgehalten, so daß die Ruhelinie des Schwingers 26 sich um den Abstand 94 nach oben verschiebt, welcher gleich dem Abstand 90 ist, so daß die Gesamtauslenkung aus der Ruhelage 68· gleich dem Abstand 76, also doppelt so groß wie die Entfernung 78' ist.

Wenn die Polarität des den Anschlüssen 38 und 40 zugeführten

elektrischen Signals zwischen positiven und negativen Verten abwechselt, dann wechselt die Auslenkung des Mittelteiles des Schwingers 26* zwischen den Durchbiegungen der Fig. 4b und 4c. Ändert sich die Amplitude des elektrischen Signale, dann ändern sich die Abstände 86 in Fig. B und 96 in Fig. C propor- ä tional; das gleiche gilt für die Amplitude der von der Membran 20 abgestrahlten Schallwelle.

Der Vorteil der beschriebenen Konstruktion wird deutlich, wenn man die Eigenschaften eines einzelnen Schwingers betrachtet, dessen Mittelabschnitt seiner einen Seite an der Spitze 22 der Membran 20 befestigt ist, während die andere Seite nicht befestigt ist. Die Auslenkung dieses Mittelabechnittes nimmt

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schnell ab, wenn die Frequenz des zugeführten elektrischen Signals unter seine Resonanzfragen absinkt, da jedoch das piezoelektrische Material im wesentlichen kapazitiv wirkt, wird seine Auslenkung bei höheren Frequenten nicht nennenswert kleiner. Wenn beispielsweise der Schwinger eine Resonanzfrequenz von 400 Hz hat, dann ist seine Auslenkung bei einem elektrischen Signal einer Amplitude von 400 Hz oder höher von einer bestimmten Größe, bei einem elektrischen Signal niedrigerer Frequenz und gleicher Amplitude ist sie jedoch wesentlich geringer· Die Stärke von der Membran 20 ausgesendeten Schalles ist direkt proportional diesen Auslenkungen, so daß bei Verwendung eines Schwingers mit 400 Hz Resonanzfrequenz die Schallstärke für ein 400 Hz-Signal wesentlich größer als für ein 100 Hz-Signal ist. Um diese VTi der gäbe ν erzer rung en zu verringern, kann die Fläche des Schwingers entsprechend der umgekehrt proportionalen Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz und Schwingerfläche (Quadrat des Durchmessers) eines peizoelektrischen bimorphen Schwingers vergrößert werden. Wenn eine Scheibe von 5 on Durchmesser eine Resonanzfrequenz von 400 Hz hat und beo Anlegen eines Signals von 400 Hz eine bestimmte Auelenkungeamplitude hat, dann reduziert sich die Resonanzfrequenz bei einer Verdoppelung des Durchmessers auf 10 cm (Vergrößerung der Fläche um den Faktor 4) auf 100 Hz.

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Ein solcher 10 cm-Schwinger wäre eimal zu groß für die Verwendung in einem LautSprechergehäuse üblicher Größe, außerdem wäre er zu dünn und würde daher zu große Umwandlungaverluste haben· Dieses Problem wird durch die Verwendung von zwei Schwingern 26 und 26' kleineren Durchmessers gelöst, welche mit dem Abstandsstück 66 verbunden sind und die Wirkung einer Flächenverdopplung und damit Halbierung der Resonanzfrequenz haben. Wenn demnach zwei 5 cm-Schwinger verwendet werden, die je eine Resonanzfrequenz von 400 Hz haben, dann beträgt die Resonanzfrequenz der Kombination 200 Hz. Während ein 400 Hz-Schwinger bei einem 200 Hz-Signal praktisch kaum noch schwingen würde, strahlt ein Paar von 200 Hz-Schwingern noch ein erhebliches Signal ab. Zusätzlich wird die Auslenkung, wie vorstehend erläutert, über den gesamten Frequenzbereich, in welchem das System 2k arbeitet (über seine Resonanzfrequenz), also oberhalb von 200 Hz, verdoppelt. Um die Resonanzfrequenz f auf 100 Hz abzusenken, wird die Fläch· jedes Schwingers verdoppelt, so daß er einen Durchmesser von 7 ca hat, der wesent lich geringer als der bei einem einzigen Schwinger erforderlich« Durohmesser von 10 cm ist·

Das für die Verbindung der Schwinger 36 und 26· verwendete Abstandsstück 66 verhindert in der Praxis nJ*t völlig «in· gegenseitig· Bewegung der Itafangskanten der Schwinger, jedoch

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erlaubt es eine völlig freie gradlinige Bewegung der Mittelteile, dadurch tritt zwar ein geringer Verlust auf, der jedoch bei praktischen Ausführungen so gut wie nicht ins Gewicht fällt.

fe Bei einem praktischen Aufbau hatten die Schwinger einen Durchmesser von 4,25 cm und eine Dicke von 0,475 ■■>· und bei der Befestigung an einer Membran betrug die untere Grenzfrequenz oder Resonanzfrequenz des Systems 200 Hz,

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Sie enthält ein Paar piezoelektrische Systeme 98 und 100, die ebenso wie das System nach Fig. 3 aufgebaut sind. Das Schwingerpaar 102 und 104 des Systeme 98 ist mit seinen Umfangen am Abstandsstück 106 gelagert, und das Schwingerpaar * 108, 110 des Systeme 100 ist mit seinen Itafangskanten an einem weiteren Bastandsatück 112 gelagert. Der Mittelteil der oberen Fläche des Schwingers 102 ist fest an dem Vorsprung 79 der Ringplatte l4 befestigt. Der Mittelteil der unteren Fläche des Schwingers 110 ist an der Spitze 23 der Membran 20 befestigt. Die Mittelteile der einander gegenüberliegenden äußeren Fläohen der Sohwlnger 104 und 108 sind mit einem Abstandsstück 113 verbunden, welohes den Abstand Bwiaohen diesen Teilen festhält,· Je auf dl· Außenflächen jedes Sohwingers

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sind ein Paar Außenelektroden aufplattiert, die sämtlich miteinander und mit der Eingangskienue 38 verbunden sind. Die Zwischenelektroden der vier Schwinger sind ebenso miteinander und mit dem anderen Eingangsanschluß kO verbunden, wobei die Schwinger in Richtung der Zeile polarisiert sind. Ein den Eingangsanschlüssen 38 und kO zugeführtes elektrisches Signal m läßt die Schwinger des Systems 98 sich in entgegengesetzten Richtungen durchbiegen, das gleiche gilt für die Schwinger des Systems 102 und IO8 in der gleichen Richtung wir die Schwinger 104 und 110.

Wenn das elektrische Signal gerade positiv ist, bewegt sich die Außenkante des Schwingers 102 aus ihrer Ruhelage 104 um eine Entfernung II6 nach unten, wie die Durchbiegungsverteilung 118 in Fig. 6a zeigt. Da das Abstandsstück 106 den Abstand 120 zwischen den Umfangskanten festhält, wird die Ruhelinie 122 des Schwingers 104 um eine Entfernung, die gleich der Entfernung II6 ist, nach unten verschoben, so daß sich die ganze Durchbiegungsverteilung 123 nach unten verschiebt. Da der Abstand zwischen den Schwingern iOk und 108 infolge der Abstandsstücke 113 fest ist, verschiebt die Durchbiegung des Schwingers 104 die Ruhelinie 124 des Schwingers I08, der sich selbst entsprechend der Schwingungsverteilung 126 durchbiegt. Da der Abstand zwischen den Umfangen der Schwinger 108 und

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110 durch das Abstandsstück 112 praktisch konstant gehalten wird, bewegt sich das Schwingungsmuster 130 des Schwingers 110 nach unten, so daß der Mittelabschnitt der unteren Fläche des Schwingers 110 sich um die Entfernung 130 von ihrer Ruhelinie 131 bewegt. Die gestrichelte Linie 132 stellt die Durchbiegung eines einzelnen Schwingers dar, wobei die Auslenkung P seiner Mitte den Abstand IJk beträgt, welcher ein Viertel des Abstandes 130 ist.

Diese Verhältnisse können weiter erläutert werden, um zu zeigen, daß bei einer Umkehrung der Polarität der elektrisch verbundenen Kreuzanschlüsse 38 und k0 der Abstand, um welchen sich der Mittelteil des Schwingers 110 bewegt, gleich dem Abstand 136 in Fig. 6b ist· Um zusätzlich eine vierfache Auslenkung zu erzielen, ist die Fläche des Systems nach Fig. 5 ^ praktisch vervierfacht, so daß seine Resonanzfrequenz ein Viertel von der eines einzelnen Schwingers beträgt.

Zusätzliche Schwinger können zur weiteren Vergrößerung der Auslenkung des Schwingers 110 bei einem Signal einer vorgegebenen Amplitude angeschlossen werden, indem der Mittelteil des ersten Schwingers am Gehäuse 10 und der Mittelteil des letzten Schwingers an der Membran befestigt wird und Abstandsstücke zwischen aufeinanderfolgenden der Zwischenschwinger

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angeordnet werden. Dieses Verfahren der Verbindung der Elektroden und der Polarisationsrichtungen entsprechender Platten jedes Schwingers ist nur als Beispiel angeführt, und es lassen sich auch andere Methoden verwenden, bei denen die Schwinger jedes Systems sich gleichzeitig in entgegengesetzten Richtungen durchbiegen, während entsprechende Schwinger aller Systeme sich gleichzeitig in derselben Richtung durchbiegen· ^

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 7 gezeigt. Sie enthält ein Paar piezoelektrischer Systeme 138 und l40, die denen nach Pig. 3 entsprechen. Die Kanten der Schwinger 138 sind gelenkig am Gehäuse 10, das schematisch als Träger dargestellt ist, gelagert, und die Kante des Schwingers l4o ist gelenkig an einem axial beweglichen Teil einer Membran 20 befestigt. Die Mittelabschnitte der entsprechenden Schwinger sind durch ein Abstandsstück l42 verbunden, welches den Abstand zwischen diesen Teilen festhält. Wieder sind die elektrischen Verbindungen zwischen den Schwingern 138 und l40 mit Bezug auf ihre Polarieierung so getroffen, daß die Schwinger sich in entgegengesetzten Richtungen durchbiegen.

Vie die Durchbiegungsverteilung der Fig. 7» zeigt, bewegt eich bei Anlegen des elektrischen Signals einer Polarität der Mit telteil des Schwingers 138 mus seiner Ruhelini· lkk nach unten, »o daß die Mitte de· Schwinger« l%0 eich au· ihrer Ruhelage

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nach unten bewegt. Wegen der gleichzeitigen gegenläufigen Ausbiegung des Schwingers l4O bewegt sich seine Kante um den Abstand lk& nach unten und treibt die Membran 20 mechanisch an. Ein elektrisches Signal ent9gengesetzter Polarität verursacht eine Bewegung der Kante des Schwingers l40 in der anderen Richtung. Weiterhin lassen sich zusätzliche Schwinger in Reihe einschalten« wobei die Kante eines dritten Schwingers gelenkig mit der Kante des Schwingers l40 verbunden würde und ein Abstandsstück zwischen die Mitte des dritten Schwingers und die Mitte des vierten Schwingers eingefügt würde, wobei die Kante des vierten Schwingers gelenkig mit dem axial beweglichen Teil der Membran 20 verbunden würde.

Fig. 8 zeogt einen einzigen ringförmigen Plattenschwinger 150, der in seiner Konstruktion den Schwinger 26 nach den Fig. 1 und 3 entspricht. Er ist mit seiner Mitte an der Spitze 22 der Membran 20 befestigt. Auch die äußeren Oberflächen des Plattenschwingers 15O sind äußere Elektroden aufplattiert, die mit einem der Eingangsanschlüsse 38 verbunden sind. Die Mit telelektrode ist mit dem Eingangsanschluß k0 verbunden. Wenn keine weiteren mechanischen Verbindungen zu der Platte 150 bestehen, dann verursacht ein den Eingangsanschlüssen zugeführ tes elektrisches Signal eine Durchbiegung der Platte, wie es die Seitenansicht der Platte in Fig. 9 aeigt. Die gestrichel te Linie 152 «teilt die Durchbiegung dar, welche sioh infolge

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einer Polarität des elektrischen Signals ergibt, die gestrichelte Linie 154 stellt die Durchbiegung bei einem elektrischen Signal der entgegengesetzten Polarität dar· Die Linie 156 stellt die Ruhelage der Platte dar. In jedem Augenblick gleicht die Masse oberhalb der Linie 156 der Masse unterhalb dieser Linie. Mit anderen Worten ist die Masse innerhalb eines durch die Punkte I58 und 16O bestimmten Nullkreises gleich ™ der Masse außerhalb dieses Kreises. Bekanntermaßen muß die Membran eines Lautsprechers umso größer sein (und damit eine umso größere Masse haben), je niedriger die tiefste vom Lautsprecher wiederzugebende Frequenz sein soll. Durch eine Vergrößerung der Masse der Membran 20, welche an der Mitte der Platte 150 befestigt wird, verschiebt sich der Nullkreis nach innen, so daß die verfügbare Auslenkung der Platte 15O und damit die Lautsprecherausgangsleistung verringert wird. Das kann dadurch kompensiert werden, daß man am Umfang der Platte g 150 eine zusätzliche Masse anbringt, so daß sich der Nullkreis nach außen verschiebt, jedoch wird sie dadurch für praktische Tieftonlautsprecher zu schwer, um noch gut von der Membran gehaltert werden zu können.

Diese Schwierigkeit läßt sich durch die Ausführungsform nach Fig. 10 umgehen, bei der eine Masse in Form eines Ringes l62 an den äußeren Umfang der Platte mit Hilfe mehrerer Clips l64 befestigt ist. Der Ring 162 dient zur Verringerung der

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Resonanzfrequenz der Platte 150, er ermöglicht eine schwerere Membran 20, vergrößert allerdings die mechanischen Verluste.

Insbesondere bilden die Clips l64 ein Gelenk, das etwas dem Gelenk 66 der Fig. 3a gleicht. Die Vertiefungen l66 in jeden fc Clip 150 entsprechen etwa dem Nutenabschnitt 69' des Gelenks 66, d.h. der Plattenschwinger 150 wird durch diese Vertiefungen in seiner Lage gehalten. Die längs gestreckten Teile 168 der Clips l64 entsprechen den Sprossen 67 des Abstandsstückes 66. Die Oberseite der Längsteile 168 sind mit einer Zusatzmasse in Form eines Ringes l62 verbunden.

Eine solche Konstruktion eignet sich insbesondere für den Lautsprecher nach Fig. 11, wo die der Fig. 1 entsprechenden Bauteile mit den gleichen Bezigsziffern bezeichnet sind. Die Oberseiten der Längeteile 168 sind hier mit der Ringplatte l4 verbunden, welche die Oberseite des Gehäuses 10 darstellt und die durch den Ring l62 der Fig. 10 dargestellte Nasse bildet. In gleicher Weise wie bei den Ausführungsformen nach den Fig. 3 und 5 i»t die Umfangekant· der Platte 150 gelenkig in den Vertiefungen 166 der Clips l64 gelagert· Der Mittelteil der Platte 150 ist an der Spits· 22 der Membran 20 befestigt. Die Wirkung ist so, als ob eine zusätzliche Masse

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an der Umfangskante der Platte I50 befestigt wäre, so daß die Axialbewegung der Umfangskante gegenüber dem Gehäuse 10 verhindert wird und nur ein Schwenken innerhalb der Vertiefungen 166 möglich ist. Bin den Eingangsanschlüssen 38 und kO zugeleitetes elektrisches Signal hat eine Durchbiegung des Plättchens 150 in gleicher Weise, wie es durch die gestrichelten Linien 76 und 72 in Pig* k& gezeigt ist, zur Folge. ™ Nun ist die Auslenkung des Mittelteiles der Platte 150 praktisch gleichmäßig, da die Masse der Membran 20 zur Erzeugung niederfrequenten Schalls ziemlich groß ist.

Obgleich die Erfindung für die Anwendung bei einem Lautsprecher beschrieben ist, lassen sich die beschriebenen Schwingeranordnungen auch für Mikrophone verwenden. In diesem Fall verursachen Tonsignale Schwingungen der Membran 10 entsprechend ihrer Amplitude und Frequenz, so daß der untere Schwinger de, λ piezoelektrischen Systems ausgelenkt wird. Die Betriebsweise ist gerade umgekehrt zu der vorerwähnten eines Lautsprechers, und «s werden zwischen den Anschlüssen 38 und kO elektrische Signale erzeugt.

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Claims

Patentansprüche

1. Elektroakustischer Wandler mit einem Halterungsteil, in dem ein piezoelektrisches System und eine davon angetriebene axial bewegliche Membran gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische

P System zwei im Abstand zueinander befindliche Schwinger einer vorbestimmten Polarisation enthält, die sich quer zur Achse der Membran (20) erstrecken und je einen Kantenteil und einen Mittelteil haben und deren entsprechende Teile durch ein Abstandsstück (66) miteinander verbunden sind, und daß die Schwinger entsprechend ihrer Polarisierung derart elektrisch miteinander verbunden sind, daß sie sich bei anliegenden elektrischen Signalen in entgegengesetzten Richtungen durchbiegen, und daß das nicht

^ mit dem anderen Schwinger verbundene Teil des einen Schwingers mechanisch mit einem axial beweglichen Teil (22) der Membran (20) verbunden ist, während das entsprechende Teil des anderen Schwingers mechanisch mit dem Halterungsteil (lk) verbunden ist.

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2. Wandler nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinger (26, 26') ringförmig ausgebildet sind.

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandsstück zwischen den Mittelteilen der Schwinger angeordnet ist und der Kantenteil \ des einen Schwingers Bit den beweglichen Teil (22) der Membran (20) und das Kantenteil des anderen Schwingers mit dem Halterungsteil verbunden ist.

4. Wandler nach Anspruch !,dadurch gekenn zeichnet, daß das Abstandsstück (66) gelenkig mi·-. den Kantenteilen der Schwinger (26, 26') verbunci*>n -.st und der Mittelteil des einen Schwingers (26*) iner.hanj.3c mit dem beweglichen Teil (22) der Membran (20) verbunden ist, während der Mittelteil des zweiten Schwingers (26 ^ fest mit dem Trägerteil (lk) verbunden ist.

5· Wandler nach Anspruch 4t, dadurch geken n- zeichnet, daß der Mittelteil des einen Schwinger4 unmittelbar nit dee beweglichen Teil (22) der Membran (2C) verbunden ist und der Mittelteil des anderen Schwingers unmittelbar alt dem Trägerteil (1A) verbunden ist.

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6. Vandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische System (2%) einen dritten und einen vierten Schwinger (lO4, 108) aufweist, welche über Abet and« stücke (io6, 112) mit den ersten (102) bzw. dem zweiten (HO) Schwinger verbunden sind, und daß die elektrischen Verbindungen zum dritten und ^ vierten Schwinger (10%, 108) so angeordnet sind, daß die

Auslenkungen des dritten und des vierten Schwingers sich zu denen des ersten und des zweiten Schwingers hinzuaddieren·

7· Vandler nach Anspruch 4, dadurch geken n-

zeichnet, daß die Schwinger (26, 26') als Scheiben ausgebildet sind, und daß das Abstandsstück als Ring ($6) ausgebildet ist, der um jede Scheibe angeordnet ist | und mit ihr elastisch verbunden ist.

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