DE2035629B2 - Piezoelektroakustischer wandler - Google Patents

Description

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einer Metallfolie oder einem anderen feuchtigkeit- ausgesetzt werden, so daß man einen piezoelcktro-

;ili>iL-nenden und abhallenden Material mit einem akustischen Wandler üroßer Leistung und uuier An-

nirdngen Elastizitätsmodul bestehen. Diese Schutz- sprechempfindlichkeirerhält.

.-Jnchien haben hier lediglich die Aufgabe. Feucluig- Bei einer vorteilhaften AusführungslOim ist vor-

k,ii von den piezoelektrischen Planen lern zu hai- 5 uesehen, daß die Abstüizteile bzw. Abstandsieil dea

u-ii. ied.ich bieten sie keinen echten mechanischen einen Anschliißpol und die Metallscheiben den ande-

Si-I,.,ι,-. i:.;ruber hinaus sind auch hier zwei piezo- reu AnschliiBpol zum Anlegen der Erreuerspannung

e.J irische Platten mechanisch gegeneinander ab- bilden.

■ : -Mi/t. so (.IaLi dadurch zwangsläufig die Anspruch- Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines

οv_;:-;mdlichkeit cneser Wandler'.orriehumn herab- ία Ausi'ühruiiüsbeispiels inner Hinweis auf die Zeieh-

: .; -ι wird (I iSA.-Patentschrift 2 S77 362)Λ nung näher erläutert. Es zeigt

uidi hat man bereits vorgeschlagen, die Wandler- F i g. 1 eine Schnittdarstellung eines piczoelektrisch-

o^!. wienie eines piezoelektrischen Wandlers mit akustischen Wandlers nach der vorliegenden Er-

:■j-ui/sehiehtcn zu bedecken, die aus dicken Metall- findung,

r.¹..;:eii bestehen, die die Aufgabe haben, die Stoß- 15 Fi si. 2 eine Ansicht in aiiseinandergezogener Dar-

i,...-L:ie oder Aulschlagcnergie bei der Anregung stellung der Teile der Fig. 1.

ck r Platten über die gesamte Fläche der Platten In Fig. 1 ist ein Wandler 10 gezeigt, und hierbei

gl^chmäKiger zu verteilen (britische Patentschrift sind zwei Scheibenelemente i?ite an Seite liegend an-

⁷-" ^sVl>- . . geordnet. Ein solches Element besteht aus einer

¹ .hheßhch ist auch ein Verfahren /um Herstellen 20 Scheibe aus keramischem piezoelektrischem Material

vvn doppclblattförmigen Elementen in Form von 12. und dieses Material weist eine dünne Schicht aus

c! ,ilen Streifen aus einem polarisierten Materia! mit e^;nem sehr gut leitendem Material wie z.B. Silber

p., .!elektrischen oder clektrostriktiven Eigenschaften oder Kupfer auf, das an jede Fläche aufplattiert ist.

b.k.mnt, wobei die dünnen Streifen an gegenüber- Jede solche Fläche stellt somit eine Elektrode dar

luf ,nden Flächen eines dünnen metallenen Träger- 25 und wird an eine Wechselstromquelle angeschlossen.

te", s gebunden werden und die dünnen Streifen pola- Die nach innen weisende Fläche ist an ein Abstütz-

rl -:erl werden, bevor sie an das Trägerteil befestigt teil aus Metall gebunden, und dieses besteht aus zwei

werden. Der hierbei erhaltene Wandler besteh' aus parallel verlaufenden Platten 14 und 16, die vermit-

zu ei Streifen, die zwischen sich eine Beilage aus tels eines radial nachgiebigen Abstandsringes 18 in

Messing einschließen, wobei diese Anordnung mit 30 Lage gehalten sind, so daß ein Luftspalt oder

llii'e von Silberzement aneinandergebundcn ist und scheibenförmiger Raum 20 geschaffen wird. Die

dieser Zement auch zwischen die Schichten der Bei- Platten 14 und 16 weisen typisch im wesentlichen die

lage eingeführt wird. Die zwei Wandlerelemente sind gleiche Dicke wie die Scheibe 12 auf. Die Platte 16

daher auch hier mechanisch gegeneinander abgestützt, ist an eine zweite keramische Scheibe 22 gebunden,

so daß diese bekannte Anordnung ebenfalls eine ver- 35 die mit der Scheibe 12 identisch ist. Dünne Metall-

mindertc Ansprechcmpfindliehkeit aufweist (bri- scheiben 24 und 26, die gewöhnlich von 0,00254 bis

tische Patentschrift 1 097 013). 0,05 cm Dicke aufweisen, was von dem Durchmesser

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe be- des Wandlers abhängig ist und ebenso von dessen

steht darin, einen piezoclektroakustischen Wandler gewünschtem Frequenzbereich, sind an die äußeren

<!er eingangs definierten Art weiter zu verbessern, 40 Flächen der keramischen Scheiben 12 und 22 ge-

insbesondere hinsichtlich einer größeren erzielbaren bundcn. Elektrische Leiter 21, 23, 25 sind wie gezeigt

Leistung bei bestmöglichem Wirkungsgrad. angeschlossen, so daß man einen Wechselstrom an

Diese Aufgabe wird dadurch gel« >st, daß erfindungs- die sich gegenüberliegenden Flächen der keramischen

gemäß in an sich bekannter Weise zwei scheiben- Scheiben anlegen kann.

förmige piezoelektrische Wandlerelemente sich 45 Die Teile der Fig. 1 sind in auseinandergezogefliichig gegenüberliegend angeordnet sind, und zwi- ner Darstellung in Fig. 2 gezeigt. Die Teile 14,16 fellen den zueinander weisenden Flächen dieser EL- und 18 sind getrennt gezeigt. Diese Teile sind normentc durch scheibenförmige Abstützteile und einem nialerweise so miteinander verbunden oder aneinan-Abstandstcil ein scheibenförmiger Raum gcbildc» dcrgebunden, daß ein flaches zylindrisches Teil gewird, wobei die voneinander abliegenden Flächen die- 50 schaffen wird, welches im Zentrum einen Luftraum scr Elemente an dünne Metallscheibcn gebunden aufweist. Der Wandler arbeitet, indem er sich eintind, welche die die mechanische Festigkeit er- beult oder nach Art einer »Ölkanne« abgelenkt oder liöhendc Schicht größerer Zugfestigkeit bilden. Da verbogen wird, wobei sich jedes der getrennten hierbei die einzelnen Wandlerclementc nicht mecha- Wandlcrrlcmente zur gleichen Zeit nach außen und Misch starr ancinaiidergehiinden sind, sondern einen 55 nach innen bewegt. Eine nach außen gerichtete Ab-Luftspalt zwischen sich einschließen, führt jedes ein- lenkung versetzt die Außenfläche in Spannung, und zchic Wandlcrclcmcnt für sich zu einer guten mccha- ohne die dünnen Mctallschichten 24 und 26 sind die nischcn Transformation, wobei die ganze Anordnung Wandler in ihrer Leistung beschränkt, und zwar auf dennoch eine große Anspiecliempfindlichkcit auf- Grund der mangelnden Zugfestigkeit der keramischen weist und daher kein Kompromiß zwischen hoher 60 Scheiben. Ir;dem man die dünnen Metallscheibcn 24 Leistung und guter Ansprecliempiindlichkeit gc- und 26 an die Keramikscheiben bindet, wie dies geschlossen zu vvcrd ή braucht. zeigt ist, ergibt sich, daß die zulässige Ablenkung

Dadurch, daß die freiliegenden, einer Biegung aus- und damit die Leistungskapazität vergrößert werden

gesetzten Flächen der piezoelektrischen Wandler- kann, und zwar bis etwa auf das Vierfache. Sowohl

elemente an eine dünne Metallschcibc gebunden 65 die vorgespannten als auch die nicht vorgespannten

sind, die die Ausbildung von Haarrissen in der Ober- Teile 24 und 26 wurden hierbei verwendet und waren

fläche der Wandlerclementc verhindern, können die in beiden Fällen zufriedenstellend. Es scheint, daß

Wandlcrelemenle relativ großen Auslenkamplitudcn die Vorspannung dieser Scheiben keinen Vorteil mit

sich bringt. Die Bindung kann vermittels der Anwendung eines festen Epoxy-Zementes vorgesehen werden. Der Zement darf nicht zu dick oder steif sein, da dieses zu einem Bruch der Verbindung während des Betriebes führen kann und dadurch der gesamte Wandler versteift werden würde, wodurch seine Frequenz angehoben werden würde und seine Bandbreite damit reduziert werden würde.

Es ist offensichtlich, daß die !.ehre der vorliegenden Erfindung sowohl auf sendende als auch empfangende Wandler anwendbar ist. Demnach kann eir Hmpfangswandler, der in der zuvor beschriebener Weise ausgeführt ist, größeren akustischen Kräftcr ausgesetzt werden, woraus sich eine größere Ab lenkung und ein größerer Spannungsausgang dci nach der Erfindung aufgebauten Elemente ergibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Eigenschaften des Membranmaterials hängt diese Patentansprüche: mechanische Transformation wesentlich von der Dicke der Membran und von ihrer Krümmung ab.

1. Piezoelektroakustischer Wandler mit wenig- Durch diese bekannte Ausbildung und Anordnung stens einem auf mindestens einer Seite und einer 5 des piezoelektrischen Wandlerelementes wird der erdie mechanische Festigkeit erhöhenden Schicht zielbare Wirkungsgrad verbessert, oder mit anderen größerer Zugfestigkeit versehenen piezoclektri- Worten, es wird die Ansprechempfindlichkeit eines sehen Wandlereiement, das derart polarisiert ist, derartigen elektroakustisehen Wandlers erhöht.

daß bei Erregung desselben wenigstens eine sei- Bei vielen Anwendungsfällen, wie beispielsweise ner zwei sich gegenüberliegenden Flächen Zug- io bei der LJntervvasserschallortung wird jedoch bei spannungen aufgesetzt wird, dadurch ge- einer derartigen Einrichtung eine erhöhte Anfordekennzeichnet, daß in an sieh bekannter π.ng hinsichtlich der Leistung gestellt, d. h., der dort Weis..- zwei scheibenförmige piezoelektrische verwendete clektroakustische Wandler muß crößere Wandlerelemente (12. 22) sich flächig gegenüber- Energiememien verarbeiteten können, ohne dabei liegend angeordnet sind, und zwischen den zu- 15 -Schaden zu leiden, und zwar in Verbindung mit einem einiiiiderwei.scnden Flächen dieser Elemente (12, guten Wirkungsgrad bzw. einer guten Anspreeh-22) durch scheibenförmige Abstützteile (14, 16) empfindlichkeit. Diese Forderungen lassen sich je- und einem A!">~--tandsteil (18) ein scheibenförmi- doch mit Hilfe der bekannten Konstruktion nicht erger Raum (20) gebildet wird, wobei die von- füllen (deutsche Auslegeschrifi 1 127 950). einander abliegenden Flächen dieser Elemente 20 Ebenso ist ein piezoelektrischer Biegeschwinger in (12. 22) an dünne Metallscluiben (24, 26) ge- Form von zwei piezoelektrischen Schichten, z. B. kebtinden sind, welche die die mechanische Festig- ramischen Platten od. dgl., bekanntgeworden, der mit keit erhöhende Schicht größerer Zugfestigkeit elektrischen Belegungen auf den Schichtaußenseiten bilden. und zwischen den Schichten versehen ist. Die Schich-

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch ge- 25 ten sind derart polarisiert und führen zu einem solkennzeichnet, daß die Abstützteilc (14.16) bzw. chen elektrischen Feldlinienverlauf beim Betrieb des Abstandsteil (18) den einen Anschlußpol (25), Schwingers, daß die Richtung der Polarisation und und die Metallst heiben (24, 26) den anderen An- der elektrischen Feldlinien in Teilen der Schichten schlußpo! (21, 23) zum Anlegen der Erreger- parallel, und in anderen Teilen der Schichten antispannung bilden. 30 parallel zueinander verlaufen. Durch diese bekannte

Konstruktion wird das Problem gelöst, die Schwierig-

keifen zu umgehen, die das Anschließen der Mittelelektrode bereitet, besonders dann, wenn die Platten

Die Erfindung betrifft einen piezoelektroakusti- des Schwingers, wie dies z. B. für niedrige Frequenschen Wandler mit wenigstens einem auf mindestens 35 zen erforderlich ist, sehr dünn sind und dementspreeiner Seite und einer die mechanische Festigkeit er- chend auch die Mittelelektrode sehi dünn sein muß. höhenden Schicht größerer Zugfestigkeit versehenen Dieser bekannte piezoelektrische Biegeschwinger ist piezoelektrischen Wandlereiement, das derart polari- jedoch ebenfalls nicht zum Verarbeiten von größesiert ist. daß bei Erregung desselben wenigstens eine ren elektrischen Energiemengen bzw. akustischen seiner zwei sich gegenüberliegenden Flächen Zug- 40 Energiemengen geeignet, da die zwei piezoelektrispannung ausgesetzt wird. sehen Schichten immer mechanisch flächig anein-

Es ist bereits ein elektroakustischer Wander be- ander befestigt sind, sich also gegenseitig abstützen, kanntgeworden, dessen Membran gleichzeitig aku- so daß die Ansprechempfindichkeit dieses bekannten Itisch-mechanisches Wandlcrglied und mechanisch- Biegeschwingers ebenfalls nachteilig beeinflußt wird, elektrisches Wandlerglicd ist, wobei das Wandlerglied 45 da der hierfür maßgebende frei schwingende Queraus einem Material z. B. einem fcrroelektrischcn oder schnitt oder Querschnittsfläche der piezoelektrischen piezoelektrischen Material besteht, dessen elektrische Schichten relativ groß ist (deutsche Patentschrift Eigenschaften von seiner inneren mechanischen 1 Κι^ς667).

Spannung abhängig sind, oder umgekehrt, welche Mit Hilfe einer weiteren bekannten piezoelektri-

Mcmbran beiderseits mit elektrisch leitenden Be- 50 sehen Patcntaflofdnung soll das Problem gelöst werlegungen versehen ist. Die Membran hat eine schwach den. die extrem dünnen Platten vor einem Bruch bei gekrümmte oder gebogene Form, und der Umfanps- Biegung derselben zu schützen, ohne dabei die von rand der Membran ist rundherum oder an einigen Kante zu Kante gerichtete Vibration der Platte son- Punkfcrt so befestigt, daß die Länge des Umfanpes derlich zu beeinflussen. Hierbei handelt es sich also dieses Membranrandes .sich bei Schwingungen der 55 um einen piezoelektrischen Wandler, der von Kante Membran nicht ändert. Dieser bekannten Aitsiüh- zu Kante schwingt oder vibriert, und zum Schütze rungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei der dünnen Platte wird zumindest, auf einer Seite dcrciner schwach gewölbten Membran eine wesentliche selben eine nachgiebige Schicht befestigt, deren Dicke Herabtransformation des mechanischen Widerstandes wenigstens Vernal so groß ist wie die Dicke der piczotind damit eine gute Anpassung an das Luft-Schall- 60 elektrischen Platte und darüber hinaus einen wcsentfelcl möglich ist. Unter Hcrabtransformation wird ver- lieh geringeren Elastizitätsmodul aufweist. Auch diese standen, daß schon ein verhältnismäßig kleiner, auf bekannte piezoelektrische Plattenanordnung kann die Membran wirkender Druck eine verhältnismäßig nicht zum Verarbeiten von größeren Energiemengen große innere Spannung in ihr erzeugt, oder um verwendet werden bzw. wird die Ansprcchcmpfindgekehrt. daß schon eine verhältnismäßig geringe 65 lichkcit durch die relativ große Dicke der Schutzinnere Spannung des Mcmbranmatcrials eine ver- schicht herabgesetzt (USA.-Patentschrift 2 901 644). hältnismäßig große Schnelle der Membranbewegung Es ist auch bekannt, Elektroden mit Schutzschich-

bcwirkt. Bei vorgegebenen mechanisch-elastischen ten zu bedecken, wobei diese .Schutzschichten aus