DE2253833C3

DE2253833C3 - Piezoelektrisches elektroakustisches Wandlerelement

Info

Publication number: DE2253833C3
Application number: DE2253833A
Authority: DE
Inventors: Naohiro Murayama; Kenichi Nakamura
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1971-11-05
Filing date: 1972-11-03
Publication date: 1980-11-20
Also published as: GB1405151A; JPS4853714A; DE2253833A1; FR2161949B1; JPS5123439B2; DE2253833B2; FR2161949A1; US3798473A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches elektroakustisches Wandlerelement mit einem piezoelektrischen Polymerisatblatt.

Bisher werden piezoelektrische Electrostriction-Elemente als Schwinger verwendet. Obwohl solche anorganischen Schwinger Vorteile haben, weil die Resonanzstelle des Schwingers durch die Dicke des anorganischen Schwingers bestimmt werden kann, und der Schwinger in einem hohen Frequenzbereich entsprechend der Resonanzstelle verwendet werden kann, besteht der Nachteil, daß die elektrischen Schaltungen bei Verwendung eines solchen anorganischen Schwingers kompliziert werden, und eine piezoelektrische Electrostrictionssubstanz mit einem sehr großen Q-Wert beispielsweise Quarz oder Bariumtitanat kann nur in einem bestimmten Resonanzfrequenzbereich verwendet werden.

Neuerdings ist gefunden worden, daß eine Verbindung hohen Molekulargewichtes wie Poly-y-methyl-L-glutamat und Polyvinylidenfluorid eine sehr hohe Piezoelektrizität hat und es ist versucht worden, ein solches piezoelektrisches Polymerisat als einen Schwinger für elektroakustische Wandler zu verwenden. Wenn ein solches Polymerisatblatt für Mikrophone, Lautsprecher usw. verwendet wird, indem der Umfang des Blattes befestigt wird, schwingt das Blatt frei in einer Richtung rechtwinklig zu seiner Fläche, und zwar zufolge des sehr geringen Elastizitätsmoduls des Polymerisats selbst, so daß das Blatt durch Schalldruck oder durch elektrische Signale ausgedehnt oder gebogen werden kann. Wenn demgemäß ein solches piezoelektrisches Polymerisat verwendet wird, wird angenommen, daß Ausdehnungs- und Zusammenziehungs-Piezoelektrizität oder Biege-Piezoelektrizität hauptsächlich ausgenutzt werden.

Es ist gefunden worden, daß ein akustischer Wandler, der di° freie Schwingung einer solchen piezoelektrischen Polymerisatfolie ausnutzt, in einem großen Bereich von Frequenzen arbeitet und wirksam im Hörfrequenzbereich arbeitet mit vergleichsweise großen Amplituden, daß jedoch die Ausgangsspannung abnimmt, wenn die Frequenzen in den Hochfrequenzbereich steigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein piezoelektrisches elektroakustisches Wandlerelement der einleitend genannten Art so auszuführen, daß im Hochfrequenzbereich große Ausgangsleistung und gute Empfindlichkeit geschaffen sind. Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß an einer Fläche des Polymerisatblattes eine Unterlage oder ein Gegenhalteteil aus einem Material angeordnet ist, welches größeren Elastizitätsmodul (Young'scher Modul) und Masse als das piezoelektrische Polymerisat hat, und daß die gegenüberliegende Fläche als Druckwirkungsfläche verwendet ist.

Ein piezoelektrisches elektroakustisches Wandierelement gemäß der Erfindung ist im Hochfrequenzbereich sehr empfindlich und es ist gefunden worden, wenn die genannte Unterlage bzw. der Gegenhalteteil an einer Fläche des Polymerisatblattes angebracht wird, freie Schwingung des piezoelektrischen Polymerisatblattes verhindert ist. Bisher wurde Ausdehnungs-Piezoelektrizität hauptsächlich untersucht im Hinblick auf elektromechanische Umwandlung eines piezoelektrischen Polymerisats, und weiterhin wurde Biege-Piezoelektrizität manchmal geringfügig untersucht. Es ist jedoch niemals der Hinweis gegeben worden oder festgestellt worden, daß durch Behinderung der Ausdehnungs- und Biegebewegungen des piezoelektrischen Polymerisatblattes eine große elektromechanische Wandlungswirkung erzielt werden kann.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen unter Schutz gestellt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

F i g. 1 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines elektroakustischen Wandlerelementes gemäß der Erfindung;

Fig.2 ist eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines elektroakustischen Wandlerelementes gemäß der Erfindung;

F i g. 3 ist ein Blockdiagramm, anhand von welchem

die Eigenschaftsprüfung des elektroakustischen Wandlerelementes gemäß der Erfindung dargestellt ist

Gemäß F i g. 1 weist ein piezoelektrisches Polymerisatblatt 1 Elektroden 2 und 2' aus Aluminium, Gold, Kupfer, Graphit usw. auf, die durch Vakuumniederschlagen an den beiden Flächen des Blattes gebildet sind. Die Außenfläche der Elektrode 2' ist mit einer Platte 3 aus einem Material verbunden, welches großen Elastizitätsmodul hat, beispielsweise ein Metall oder Glas. Die Platte 3 ist vergleichsweise dick. Alternativ ist, wie in Fig.2 dargestellt, eine dünne Filmelektrode oder Folienelektrode 2 nur an einer Fläche eines piezoelektrischen Polymensatblattes 1 gebildet, und eine Platte 3 vergleichsweise großer Dicke, die aus einem leitenden Material mit großem Elastizitätsmodul, beispielsweise Metall oder Graphit, gebildet ist, ist direkt an der anderen Fläche des Polymerisatblattes 1 angebracht Die Dicke der Schicht 2 des leitenden Materials, beispielsweise Aluminium, welches mittels Vakjum als Überzug auf die Fläche des piezoelektrischen Elementes 1 aufgebracht ist ist sehr dünn, und auch üas Gewicht oder die Masse der Schicht sind sehr gering. Selbst wenn somit der Elastizitätsmodul der leitenden Schicht beispielsweise einer Aluminiumschicht, groß ist, ist die freie Ausdehnungsbewegung und Zusammenziehungsbewegung oder Biegebewegung des piezoelektrischen Polymerisatblattes 1 nicht behindert, jedoch ist diejenige Fläche des Polymerisatblattes, an der die Platte 3 mit großem Elastizitätsmodul und großer Masse als Unterlage oder Hinterplatte angebracht ist, in seiner Ausdehnungsbewegung und Zusammenziehungsbewegung begrenzt

Das piezoelektrische Element gemäß vorstehender Beschreibung wird in der gleichen Weise wie ein gewöhnliches piezoelektrisches Element für elektroakustische Wandler verwendet. Das heißt, wenn Wellen von einem akustischen System an die Elektrode 2 des piezoelektrischen Elementes angelegt werden, bilden sich Änderungen der elektrostatischen Ladungen zwischen beiden Elektroden bei Ansprechen auf die Änderungen der Schallwellen, und die Änderungen der Ladungen können als Wellen an ein elektrisches System abgegeben werden. Wenn im Gegensatz dazu Wechselstrom an die beiden Elektroden des piezoelektrischen Elementes angelegt wird, werden Schallwellen von der Fläche der Elektroden 2 erhalten.

Die Merkmale des piezoelektrischen elektroakustischen Wand'erelementes gemäß der Erfindung bestehen darin, daß die elektroakustische Wandlerwirkung im Hochfrequenzbereich groß ist, so daß das elektroakustische Wandlerelement selbst im Ultraschallwellenbereich verwendet werden kann, in welchem der Ausgang oder die Abgabeleistung einer üblichen frei schwingenden elektroakustischen Wandlerelementes zu klein ist, um praktisch verwendet zu werden, und darin, daß ein piezoelektrisches Element mit irgendeiner gewünschten Gestalt, beispielsweise ein Element, mit einer großen Fläche, ein gebogenes Element, oder ein Element mit komplizierter Gestalt erhalten werden kann, da das Material des Elementes ein Polymerisat ist, wobei weiterhin das Eierrt ■ η großen Schallbereichen verwendet werden kann.

Es ist gegenüber der Kenntnis über übliche piezoelektrische Polymerisate vollständig überraschend, daß trotz der Tatsache, daß bei dem elektroakustischen Wandlerelement gemäß der Erfindung Ausdehnungsbewfegung und Zusammenziehungsbewegung in der Ebene des piezoelektrischen Polymerisats im wesentlichen behindert ist das Element im Hochfrequenztonbereich eine größere Wandlungswirkung hat als ein piezoelektrisches Polymerisatelement, bei welchem freie Biegung bzw. freie Ausdehnung und freies Zusammenziehen ermöglicht ist Der Grdnd hierfür ist nicht vollständig verstanden, es wird jedoch angenommen, daß, da das elektroakustische Wandlerelement gemäß der Erfindung eine Unterlage aus festem oder massivem Material aufweist und die freie Schwingung des Elementes begrenzt ist die Verformung der piezoelektrischen Polymerisatfolie in der Dickenrichtung wirksam durch die Beanspruchung des Schalldrucks auftritt der in Richtung der Ebene angelegt ist wobei weiterhin die Piezoelektrizität in der Dickenrichtung sehr hoch ist

Als piezoelektrische Polymerisate im Sinne der Erfindung können irgendwelche Polymerisate verwendet werden, die Piezoelektrizität haben. Insbesondere können jedoch Polyvinylidenfluorid oder ein Mischpolymerisat aus Vinylidenfluorid und einem Monomeren verwendet werden, welches damit mischpolymerisierbar ist wie Tetra fiuoräthylen. Trifluorethylen, Vinylfluorid, Chlortrifluoräthylen, Vinylidenfluorchlorid oder Propylenhexafluorid. Diese Materialien schaffen eine piezoelektrische Substanz mit hoher Piezoelektrizität. Ein piezoelektrisches Polymerisatblatt, welches aus einachsig orientiertem Polymerisat oder Mischpolymerisat gemäß vorstehender Beschreibung hergestellt ist oder ein Elektret, welches aus einachsig orientiertem Polymerisat oder Mischpolymerisat hergestellt ist. hat eine höhere Piezoelektrizität als oben beschrieben, und demgemäß ist es am nützlichsten, ein piezoelektrisches Element zu verwenden, welches aus einem orientierten Blatt oder aus einer orientierten Folie aus Polyvinyl-35-idenfluorid oder Vinylidenfluorid-Mischpolymerisat hergestellt ist.

Da weiterhin der Elastizitätsmodul (Young's Modulus) von Polymerisaten allgemein zwischen 1 χ ΙΟ³ kg je cm² und 2 χ Wkg je cm² liegt, kann irgendeine Substanz mit einem Elastizitätsmodul, der über diesen Bereich liegt, als Unterlage od. dgl. verwendet werden. Eine bevorzugte Substanz ist eine Substanz mit einem Elastizitätsmodul, der um das 1Ofache höher ist als der Elastizitätsmodul von Polymerisaten, nämlich etwa 1 χ 10⁵ kg je cm² beträgt. Beispielsweise ein Metall, ein Isolator, Tonware wie Keramik, Porzellan, Graphit u. dgl. werden für die Unterlage bzw. den Gegenhalteteil bevorzugt. Der Elastizitätsmodul aller dieser Materialien liegt zwischen 1 χ 10⁶ kg je cm² und 1 χ 10⁷ kg je cm². Wenn weiterhin ein Isolator wie Porzellan, Keramik od. dgl. für den Gegenhalteteil verwendet wird, ist es notwendig, eine leitende Schicht zwischen dem Polymerisat und der Gegenhaltesubstanz vorzusehen, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Je dicker das piezoelektrische Polymerisat ist, desto höhere Piezoelektrizität ergibt sich in der Dickenrichtung. Jedoch ist eine übermäßig dicke piezoelektrische Substanz schwierig herzustellen, so daß allgemein eine piezoelektrische Polymerisatfolie verwendet wird mit einer Dicke im Bereich von 4 bis 500 μ.

Zusätzlich ist eine dünne Filmelektrode aus Metall oder Graphit od. dgl. an der anderen Fläche des piezoelektrischen Polymerisats angebracht, und diese Elektrode soll so klein wie möglich in ihrer Masse sein, 6,5 damit sie die Schwingung des piezoelektrischen Polymerisats nicht sehr behindert Hierbei wird es bevorzugt, daß ein Wert, der durch Multiplizieren der Masse mit dem Elastizitätsmodul erhalten wird, kleiner

ist als der Wert des Elastizitätsmoduls von piezoelektrischen Polymerisaten, d. h. allgemein im Bereich von 1/10 bis 1/1000 liegt.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert.

Ein Polyvinylidenfluoridblatt mit einem Elastizitätsmodul von 1,2 χ 10⁴kg je cm² und einer Dicke von 300 Mikron wurde erhalten durch Ausstoßen aus einer T-Form. Das Blatt oder die Folie wurde in einer Richtung gestreckt, und ein kreisförmiges Blatt mit einem Durchmesser von 26 mm wurde herausgeschnitten. Aluminium wurde in einer Dicke von 0,01 μ unter Vakuum auf eine Fläche des kreisförmigen Blattes niedergeschlagen, und auf der anderen Seite wurde unter Verwendung eines Epoxyklebmittels eine kreisförmige Kupferplatte einer Dicke von 10 mm und eines Durchmessers von 25 mm angebracht. Ein elektrisches Gleichstrompotential von 700 kV/cm wurde an die Kupferplatte und die Aluminiumschicht des Polymerisatblattes während 30 Minuten in einer Kammer bei 90° C angelegt, wonach das Gebilde auf Raumtemperatur abgekühlt wurde, während das Gleichstrompotential angelegt blieb. Danach wurde das elektrische Potential abgenommen, und es wurde ein piezoelektrisches Element erhalten, wie es in F i g. 2 dargestellt ist.

Das elektroakustische Wandlerelement gemäß der Erfindung, welches auf diese Weise hergestellt wurde, wurde dazu verwendet, eine Ausführung herzustellen, wie sie im Blockdiagramm der Fig.3 dargestellt ist. Gemäß dieser Figur wurde ein Bariumtitanatschwinger 9 mit einem Resonanzpunkt von 200 kHz, der an einen USY-150 V Weitbereichsultraschallerzeuger 8, hergestellt von Ultrasonic Industry Co., geschaltet war, so angeordnet, daß er der Aluminiumelektrode 2 des piezoelektrischen Elementes 4 zugewandt war. Das elektroakustische Wandlerelement wurde an ein MS-5103 B Memoryscope 7, hergestellt von der Firma Iwasaki Tsushin K. K., geschaltet, und zwar über einen Impedanztransformatorstromkreis 5 und unter Verwendung von Feldeffekttransistoren und einem Hochpaßfilterstromkreis 6. Die Ausgangsspannungen und die

ίο Wellenformen wurden mittels der Vorrichtung 7 beobachtet.

Bei einem Ausgang des Ultraschallerzeugers 8 von 60 Watt und einem Abstand zwischen dem Schwinger 9 und der Aluminiumelektrode 2 in Luft von 2 cm, betrug der Ausgang des piezoelektrischen Elementes 4 von Spitze zu Spitze 18 Millivolt, wobei weiterhin eine klare Wellenform gleich der Wellenform des Erzeugers als Ausgangswellenform beobachtet wurde.

Wenn zusätzlich Aluminium unter Vakuum auf beide Flächen des einachsig orientierten Polyvinylidenfluoridblattes niedergeschlagen wurde, wurde ein freischwingendes piezoelektrisches Element mit gleicher Fläche wie das vorbeschriebene Element hergestellt, indem das gleiche elektrische Potential unter den gleichen

2j Bedingungen wie oben angelegt wurde. Der gleiche Test wurde durchgeführt unter Verwendung dieses piezoelektrischen Elementes anstelle des oben beschriebenen piezoelektrischen Elementes gemäß der Erfindung. Hierbei wurde ein Ausgang von nur 0,6 Millivolt unter den gleichen Bedingungen erhalten, wobei weiterhin starkes Geräusch erzeugt wurde bzw. auftrat und eine schwankende Wellenform beobachtet wurde.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Piezoelektrisches elektroakustisches Wandlerelement mit einem piezoelektrischen Polymerisatblatt, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Fläche des Polymerisatblattes (1) eine Unterlage oder ein Gegenhalterteil (3) aus einem Material angeordnet ist, welches größeren Elastizitätsmodul (Young'scher Modul) und Masse als das piezoelektrische Polymerisat hat, und daß die gegenüberliegende Fläche als Druckwirkungsfiäche verwendet ist

2. Wandlerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Polymerisatblatt (1) ein Blatt aus piezoelektrischem Polyvinylidenfluorid ist

3.Wandlerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Polymerisatblatt ein piezoelektrisches Blatt aus einem Mischpolymerisat von Vinylidenfluorid und einem Monomeren ist, welches damit mischpolymerisierbar ist.

4. Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterlagematerial oder Gegenhaltematerial (3) ein Metall oder Glas großer Dicke ist

5. Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage oder der Gegenhalteteil (3) an einer Fläche des piezoelektrischen Polymerisatblattes (1) über eine an deren Fläche gebildete dünne Elektrodenschicht (2') angebracht ist

6. Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage oder der Gegenhalteteil (3) direkt an einer Fläche des piezoelektrischen Polymerisatblattes (1) angebracht ist.

7. Wandlerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Polymerisatblatt (1) eine dünne Elektrode (2) an einer Fläche aufweist, und daß der Unterlagenteil oder Gegenhalteteil (3) eine dicke Elektrode mit größerem Elastizitätsmodul (Young's Modulus) und Masse als das piezoelektrische Polymerisat ist.

8. Wandlerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Polymerisatblatt (1) dünne Elektroden (2, 2') an beiden Flächen hat, und daß der Unterlageteil oder Gegenhalteteil (3) ein elektrischer Isolator ist, der größeren Elastizitätsmodul und Masse als das piezoelektrische Polymerisat hat.