DE2506711A1

DE2506711A1 - Piezoelektrischer, elektroakustischer uebertrager

Info

Publication number: DE2506711A1
Application number: DE19752506711
Authority: DE
Inventors: Kiyonori Iwama; Masahiko Tamura; Toshikazu Yoshimi
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1974-02-18
Filing date: 1975-02-18
Publication date: 1975-08-21
Also published as: JPS50110238U; US3973150A; JPS5745760Y2; GB1504203A

Description

PATFE.N TANWALTtE A. GRUNECKER

DIPL.-INQ.

H. KINKELDEY 2506711 W. STOCKMAlR

DR.-INQ. ■ AeE(CALTECH)

K. SCHUMANN

DR. RER. NAT. · DIPL.-PHYS.

P. H. JAKOB

DIPL.-ING.

G. BEZOLD

DR. RER. NAT. · DIPL.-CHEM.

MÜNCHEN

E. K. WEIL

DR. RER. OEC. INS.

LINDAU

MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

18. Februar 1975 P 8984

Pioneer Electronic Corp.
_No_..4-1, Meguro 1-chome, Meguro-ku, Tokyo, Japan

Piezoelektrischer, elektroakustischer Übertrager

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen, elektroakustischen Übertrager und bezieht sich insbesondere auf einen solchen piezoelektrischen, elektroakustischen Übertrager, der eine Kembran verwendet, die als einachsig gedehnte piezoelektrische Folie ausgebildet ist, die eine große Anisotropie aufweist und eine Form hat, bei der eine größere und eine kleinere Achse vorhanden sind.

509834/0722

TELEFON (OBO) 222862 TELEX 05-09380 TELEaRAMMEMONAPAT

2508711

Es ist bereits ein piezoelektrischer elektroakustischer übertrager vorgesehen worden, der als Membran eine Earzfolie verendet, die Piezoelektrizität zeigt. (Siehe beispielsweise die US-Patentschrift 3 832 580.) Eine solche piezoelektrische Folie, die als Membran für einen elektroakustischen übertrager verwendet v/erden soll, kann aus einem Polymer mit hohem Molekulargewicht hergestellt werden (Siehe: "Polypeptid-Piezoelektrizitäts-Übertrager" von E. Fukuda et al., 6. Internationaler Akustikkongress, D-31, Tokio, 1968 und "Die Piezoelektrizität von Polyvinylidenfluorid" von E. Kawai, Japan J. Appl. Phys. 8, 975 > 1969.) Bei herkömmlichen piezoelektrischen elektroakustischen Übertragern können piezoelektrische Folien mit verschiedenen Formen verwendet v/erden, wobei die Folien beispielsweise kreisförmig, quadratisch, rechteckig usw. ausgebildet sind. Bei solchen herkömmlichen elektroakustischen Übertragern mit piezoelektrischen Folien verschiedener Formen haben die Unterschiede in den Formen der Folien geringe Differenzen zwischen den einzelnen Übertragern im Hinblick auf ihren elektromechanischen und ihren mechanisch-elektrischen Umwandlungswirkungsgrad in Erscheinung treten lassen, weiterhin auch im Hinblick auf die Empfindlichkeit und die Schalldruckpegel, während jedoch nicht festgestellt werden konnte, welche Form, Struktur oder Richtung der piezoelektrischen Folie zur Erreichung eines besonders hohen Umwandlung swirkungsgrades optimal ist.

Nachfolgend wird kurz eine Methode erläutert, durch welche Polymere mit hohem Molekulargewicht eine Piezoelektrizität bekommen und allgemeine Eigenschaften piezoelektrischer Folien erreichbar sind, wobei Polyvinylidenfluoridharz (nachfolgend als PVF₂) bezeichnet, als Beispiel für Polymere mit hohem Molekulargewicht genommen wird.

509834/0722

Eine nicht gedehnte PVPp-Folie wird einachsig auf das Vierfache ihrer ursprünglichen Länge bei 60 "bis 100 ⁰C gedehnt, in einem Bad konstanter Temperatur, wodurch die lioleküle in der Folie in einer Richtung ausgerichtet werden. Auf beide Seiten der gestreckten bzw. gedehnten Folie wird ein Metall wie Aluminium als Elektroden im Vakuum aufgedampft. Dann wird die Folie auf eine Polarisationstemperatur von 80 bis 130 ⁰C erhitzt, während ein elektrisches Gleichfeld von 700 bis 1500 kV/cm angelegt ist. Die auf diese V/eise polarisierte Folie bleibt in diesem Zustand für etwa 10 bis 20 Minuten und wird auf Zimmertemperatur abgekühlt während das elektrische Feld weiter besteht» Dies wird als Polarisationsbehandlung bezeichnet. Wenn ein elektrisches Feld, welches geringer ist als das oben genannte Koerzitivfeld, auf die polarisierte Folie angewandt wird, so zeigt die Folie ähnlich wie piezoelektrische keramische Stoffe eine Verformung und Spannungen, welche zu dem elektrischen Feld proportional sind. Dies bedeutet, daß die polarisierte Folie eine Aktivität aufweist, wie sie üblichen piezoelektrischen Materialien eigen ist. Im Unterschied zu piezoelektrischen keramischen Stoffen weist die Folie jedoch eine beachtliche Anisotropie in sich selbst auf. Wenn zur Erläuterung der Anisotropie Koordinaten verwendet werden, bei welchen die Streckrichtung bzw. Dehnungsrichtung der Folie auf der ersten Achse liegt und die Richtung senkrecht zu der Ebene der Folie auf der dritten Achse liegt, so ist die Anisotropie etwa d^. α ^ΟΊ,ρ für die piezoelektrischen Konstanten. Allgemein gesagt, bei einer einachsig gestreckten bzw. gedehnten piezoelektrischen Folie aus einem Stoff mit hohem Molekulargewicht ist das Ausmaß der Dehnung oder Kontraktion der Folie ein Maximum in der Richtung eines Vektorfeldes oder eines resultierenden Vektors der piezoelektrischen Konstanten in der Ebene der Folie, und diese Richtung kann dieselbe sein wie die Dehnungsrichtung bzw. Streckrichtung der Folie oder kann sich davon unterscheiden, was von der Art des Hochpolymers

509834/0722

_ Zj- _

abhängt, welches verwendet wird. Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels erläutert, bei x^elchem als piezoelektrische Folie eine Folie aus PVFp verwendet wird, welche ihre größte piezoelektrische Eonstante von d^ in ihrer Streckrichtung "bzw. Dehnungsrichtung oder in der Richtung aufweist, in welcher die Moleküle ausgerichtet sind. Weiterhin sei zur Erläuterung darauf hingewiesen, daß der Ausdruck Streckrichtung bzw. Dehnungsrichtung in der Bedeutung verwendet wird, daß diejenige Richtung angesprochen ist, in welcher das Ausmaß der Dehnung oder der Kontraktion der piezoelektrischen Folie ein Maximum ist, in welcher nämlich die piezoelektrische Konstante ein Maximum zeigt.

Bei einem elektroakustischen übertrager ist es erforderlich, bei der Auslegung des Übertragers die Anisotropie einer dazu zu verwendenden piezoelektrischen Folie zu beachten.·

Die Erfindung bedient sich der Erkenntnis, daß eine Wechselbeziehung zwischen einer Form einer Halteeinrichtung, welche zur Hai erung einer Membran dient, und der Streckrichtung bzw. Dehnungsrichtung der Folie besteht. Mit anderen Worten, es entspricht dem Grundgedanken der Erfindung, daß eine spezielle Beziehung zwischen einer Form und Ausrichtung einer gestreckten bzw. gedehnten Folie, welche als Membran verwendet werden soll, und einem Umwandlungswirkungsgrad eines piezoelektrischen elektroakustischen Übertragers besteht, und die Erfindung bedient sich weiterhin der Erkenntnis, daß bei einer speziellen Anordnung einer piezoelektrischen Membran in bezug auf die Form und Ausrichtung einer gestreckten bzw. gedehnten Folie ein überraschend hoher Umwandlungswirkungsgrad des piezoelektrischen elektroakustischen Übertragers erreichbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen elektroakustischen übertrager zu schaffen, der einen außerordentlich

509834/0722

hohen Umwandlungswirkungsgrad aufweist.

Weiterhin soll gemäß der Erfindung ein piezoelektrischer elektroakustischer Übertrager geschaffen werden, der insbesondere im Bereich tiefer Frequenzen eine ausgezeichnete Frequenzgangcharakteristilt zeigt.

Gegenstand der Erfindung ist ein piezoelektrischer elektroakustischer übertrager, welcher sich dadurch auszeichnet, daß eine piezoelektrische Membran vorgesehen ist, welche aus einem hochpolymeren Harz besteht und einachsig ausgerichtete Moleküle aufweist, daß die piezoelektrische Membran in ihrer Ebene .eine große Anisotropie aufweist und eine Form hat, bei welcher eine größere und eine kleinere Achse vorhanden sind, daß weiterhin eine Halteeinrichtung vorhanden ist, welche zur Befestigung der piezoelektrischen Membran dient, und daß eine Richtung eines resultierenden Vektors von piezoelektrischen Konstanten in der Ebene der Membran parallel zu ihrer kleineren Achse angeordnet ist.

Gemäß der Erfindung wird somit ein piezoelektrischer elektroakustischer Übertrager geschaffen, der als Membran eine einachsig gedehnte bzw. gestreckte Folie mit einer Form verxfendet, welche eine größere und eine kleinere Achse aufweist, wobei die Expansions-Kontraktions-Hichtung der Membran, in welcher eine piezoelektrische Konstante ein Maximum zeigt, im wesentlichen parallel zu der kleineren Achse der Membran verläuft, wodurch der piezoelektrische elektroakustisch^ Wandler einen hohen Umwandlungswirkungsgrad erreicht, und zwar insbesondere im Bereich tiefer Frequenzen.

509834/G722

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung "beschrieben; in dieser zeigen:

Eig. 1 einen Grundriß eines wesentlichen Teiles eines Kopfhörers mit einem piezoelektrischen Lautsprecher gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A¹ in der Fig. 1 und

Fig. 3 und 4 jeweils eine grafische Darstellung, in welcher Eigenschaften von drei Typen von piezoelektrischen Lautsprecherkopfhörern dargestellt sind, bei welchen als Kerabranen jeweils Folien rait derselben Eigenschaft und derselben Fläche verwendet sind, welche sich jedoch im Hinblick auf ihre Form und ihre Achse voneinander unterscheiden.

In den Fig. 1 und 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Kopfhörers mit einem piezoelektrischen Lautsprecher dargestellt, welcher die Erfindung verkörpert.

Mit 1 ist eine Hembran bezeichnet, welche Piezoelektrizität zeigt und nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. Die Membran ist derart geformt, daß sie eine größere Achse und eine kleinere Achse aufweist, wobei die (durch einen Pfeil a dargestellte) Dehnungsrichtung im wesentlichen parallel zu der kleineren Achse verläuft. Genauer gesagt, eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Membran ergibt sich dadurch, daß eine Sichtung des resultierenden Vektors von piezoelektrischen Konstanten in der Membranebene parallel zu der kleineren Achse verläuft. Für die Praxis brauchbare Ergebnisse ergeben sich jedoch bereits,

509834/0722

wenn eine Richtung, in welcher die piezoelektrische Folienmembran die größte piezoelektrische Eonstante aufweist, im
wesentlichen parallel zu ihrer kleineren Achse verläuft, insbesondere im Falle von PVFp. hit 2 ist eine Halteeinrichtung aus einem starren Material zur Befestigung der Membran 1
bezeichnet. Die Halteeinrichtung 2 ist ebenfalls derart
geformt, daß ihre größere Achse und ihre kleinere Achse
jeweils der Form der Membran 1 angepaßt ist.

Eine Stütz einrichtung 3 aus elastischem Material wie Polyurethanschaum ist auf der Rückseite der Membran 1 angeordnet, um der Membran eine geeignete Spannung und/oder Elastizität zu verleihen. Die Stütz einrichtung 3 ist durch eine Grundplatte 4- befestigt, welche aus einem starren Material besteht und Öffnungen 4-1
gewünschter Größe und entsprechender Anzahl aufweist, damit
keine luftdichte Anordnung entsteht.

Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß gemäß der Erfindung
die Membran 1 des elektroakustischen Übertragers aus einer
piezoelektrischen dünnen Folie eines hochpolymeren Harzes
besteht, welches einachsig gestreckt wurde und eine Form aufweist, bei welcher eine größere Achse und eine kleinere Achse vorhanden ist, wobei die Form beispielsweise rechteckig oder oval sein kann. Diese piezoelektrische Membran wird durch die Halteeinrichtung 2 derart gehalten, daß die Dehnungsrichtung a der Folie im wesentlichen parallel zu ihrer kleineren Achse verläuft. Die Hai te einrichtung 2 kann in alternativer Ausführungsform aus wenigstens einem Paar von Befestigungselementen bestehen, welche einander gegenüber angeordnet sind.

Bei einer Anordnung gemäß der obigen Erläuterung ist durch
die Erfindung ein piezoelektrischer elektroakustischer übertrager erreichbar, der hohe Schalldruckpegel zeigt, insbesondere im unteren Frequenzbereich, wie es in den Fig. 3 und 4- veranschaulicht ist, welche das Ergebnis eines Vergleichsversuches

509834/0722

für Eigenschaften von drei nachfolgend aufgeführten Kopfhörern zeigen:

A: ein Kopfhörer mit einem Lautsprecher, der eine erfindungsgemäße piezoelektrische Membran verwendet,

B: ein Kopfhörer, welcher ähnlich aufgetaut ist wie der Kopfhörer A, mit der Ausnahme, daß die piezoelektrische Membran kreisförmig ist, und

C: ein Kopfhörer, welcher ähnlich aufgebaut ist wie der Kopfhörer A, mit der Ausnahme, daß die Dehnungsrichtung der Folie parallel zu der größeren Achse der Membran liegt.

Die Fig. 3 zeigt Schalldruckpegel der Kopfhörer A, B und C, welche jeweils "bei einer festen Eingangssignalspannung gemessen wurden, wobei das Volumen der vorderen Luftkammer (das Volumen des luftdichten Baumes zwischen der Membran und einem zur Messung dienenden Mikrofon) verändert wurde. Die Messungen wurden im Frequenzbereich von 200 "bis 500 Hz durchgeführt.

Die Fig. 4- zeigt in einer grafischen Darstellung Eigenschaften der Kopfhörer A und C.

Aus den Fig. 3 und 4 ist ersichtlich, daß der Kopfhörer gemäß der Erfindung, welcher den piezoelektrischen Lautsprecher verwendet, bis zu 3 his 6 dB in den Schalldruckpegeln im unteren Frequenzbereich anderen Kopfhörern überlegen ist, welche die piezoelektrische Membran mit derselben Fläche und derselben Eigenschaft verwenden, wie sie gemäß der Erfindung verwendet wird, jedoch eine andere Anordnung im Hinblick auf die Form -und die Achse der Membran haben.

509834/0722

Obwohl die Erfindung anhand eines Kopfhörers mit einer Membran aus PVI'p beispielsweise beschrieben wurde, sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung auch auf verschiedene andere piezoelektrische elektroakustische Übertragen wie Kikrofone usw. anwendbar ist. Weiterhin sind die piezoelektrischen Materialien mit hohem Molekulargewicht nicht auf eine Folie aus PVFp beschränkt, sondern es können auch andere Folien aus Polymeren mit hohem Molekulargewicht verwendet werden, welche eine geeignete Flexibilität zeigen, beispielsweise Polyvinylfluorid (PVF), Polyvinylchlorid (PVC), Nylon-11, Polypeptid (PMG) usw...

Wie es oben bereits erwähnt wurde, ist der piezoelektrische elektroakustische Übertrager gemäß der Erfindung mit einem verbesserten Wiedergabeumwandlungswirkungsgrad ausgestattet, insbesondere im unteren Frequenzbereich. Somit kann selbst dann, wenn ein Folienmaterial verirr endet wird, welches begrenzte physikalische Eigenschaften einschließlich einer entsprechenden piezoelektrischen Konstanten aufweist oder bei Verwendung einer Membran mit verhältnismäßig geringer Größe, dennoch ein piezoelektrischer elektroakustischer Übertrager geschaffen werden, der insbesondere im Bereich tiefer Frequenzen einen verbesserten Umwandlungswirkungsgrad zeigt, und zwar im Vergleich zu herkömmlichen Übertragern, bei welchen die .Anordnung von Form und Achse der Membran in bezug auf die Richtung, in welcher die Membran die größte piezoelektrische Konstante aufweist, nicht beachtet ist.

Obwohl eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung beschrieben wurde, sind offensichtlich Abwandlungen und Änderungen der oben gegebenen Lehre möglich. Es sei darauf hingewiesen, daß auch derartige Abwandlungen im Rahmen der Erfindung liegen.

- Patentansprüche -

509834/0722

Claims

- ίο -

Patentansprüche

Piezoelektrischer elektroakustischer Übertrager, dadurch gekennz eichnet, daß eine piezoelektrische Membran (1) vorgesehen ist, welche aus einem hoch.polym.eren Harz besteht und einachsig ausgerichtete Moleküle aufweist, daß die piezoelektrische Membran (1) in ihrer Ebene eine große Anisotropie aufweist und eine Form hat, bei welcher eine größere und eine kleinere Achse vorhanden sind, daß weiterhin eine Ealteeinrichtung (2) vorhanden ist, welche zur Befestigung der piezoelektrischen Membran (1) dient, und daß eine Richtung eines resultierenden Vektors von piezoelektrischen Konstanten in der Ebene der Membran (1) parallel zu ihrer kleineren Achse angeordnet ist.
2. Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung (2) aus wenigstens einem Paar von Befestigungselementen besteht, die aus einem steifen Stoff bzw. einem starren Material hergestellt sind, und daß die Halteelemente einander gegenüber angeordnet sind.
3. Übertrager, dadurch gekennzeichnet, daß eine piezoelektrische Membran (1) vorgesehen ist, die aus einem hochpolymeren Harz besteht und deren Moleküle einachsig ausgerichtet sind, daß die piezoelektrische Membran (1) in ihrer Ebene eine große Anisotropie aufweist und eine Form hat, bei welcher eine größere und eine kleinere Achse vorhanden sind, daß weiterhin eine Halteeinrichtung (2) vorhanden ist, welche zur Befestigung der piezoelektrischen Membran (1) dient, und daß eine Richtung, in welcher die piezoelektrische Membran (1) die größte piezoelektrische Konstante in ihrer Ebene aufweist, parallel zu ihrer kleineren Achse verläuft.

509834/0722