DE2508556A1 - Piezoelektrischer elektroakustischer wandler - Google Patents
Piezoelektrischer elektroakustischer wandlerInfo
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Description
PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER
DIPL.-ING.
H. KINKELDEY
□ R.-ING.
W> STOCKMAlR
K. SCHUMANN
P. H. JAKOB
DIPL.-INO.
G. BEZOLD
MÜNCHEN E. K. WEIL
LINDAU
MÜNCHEN 22
27. Februar 1975
P 8986
Pioneer Electronic Corp.
No,- .4-1, Meguro 1-chome, Meguro-ku, Tokyo, Japan
Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen elektroakustischen
Wandler, bei welchem eine Membran verwendet wird, die aus einer piezoelektrischen Folie hergestellt ist und
eine Elastizität und/oder Spannung aufweist, um in einer zu der Ebene der Membran senkrechten Richtung eine Schwingung
zu erzeugen.
508836/0745
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Weiterbildung
eines piezoelektrischen Wandlers, wobei die Membran durch ein Halteelement gehalten ist, welches einen gekrümmten Teil
aufweist, um der Membran eine geeignete Elastizität und/oder Spannung zu verleihen, welche von dem Halteelement gehalten
wird, so daß dadurch akustische Eigenschaften verbessert werden, ohne den Wirkungsgrad einer Schwingung der Membran eu
beeinträchtigen.
Es ist bereits vorgesehen worden, einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler mit einer als dünne Folie mit
Piezoelektrizität ausgebildeten Membran zu verwenden. (Siehe beispielsweise die US-Patentschrift 3 832 580.) Eine solche
piezoelektrische Folie, die als Membran für einen elektroakustischen Wandler verwendet werden soll, kann unter Verwendung
eines Polymers mit einem hohen Molekulargewicht hergestellt werden. (Siehe: "Polypeptid-Piezoelektrizitäts-Wandler" von
E. Fukuda et al., 6. Internationaler Akustikkongress, D3I,
Tokio (1968) und "Die Piezoelektrizität von Polyvinylidenfluorid" von H. Kawai, Japan, J. Appl. Phys. 8 (1969) S. 975·)
Um in wirksamer Weise eine Ausdehnung und Zusammenziehung
einer solchen Membran in einer Richtung parallel zu ihrer Ebene, welche durch Aufnahme eines Wechselstromes erzeugt
wird, in eine Schwingung in der Richtung senkrecht zu der Ebene der Membran umzuwandeln, ist bereits vorgesehen worden,
auf der einen Seite der Membran eine elastische Stützeinrichtung in zusammengepreßtem Zustand auf die Membran einwirken
zu lassen. Ein derartiges elastisches Stützelement zeigt jedoch die Tendenz, einen mechanischen Widerstand hervorzurufen, der
für einen guten Schwingungswirkungsgrad der Membran schädlich ist (siehe beispielsweise die US-Patentschrift 3 832 580).
Außerdem altert aufgrund einer Veränderung der Umgebungsbedingungen
wie der Temperatur, der Feuchtigkeit usw. über eine lange
509836/074S
Zeit das elastische Stützelement, so daß es eine ausreichende Elastizität verliert, wodurch die Kraft in unvorteilhafter
Weise vermindert wird, welche das elastische Stützelement auf die piezoelektrische Membran ausübt. Somit ist es "lit
der herkömmlichen Einrichtung schwierig, ausgezeichnete Eigenschaften im Hinblick auf eine günstige akustische Charakteristik
zu erreichen und zu erhalten, wenn insbesondere ein guter Übertragungswirkungsgrad, eine vorteilhafte Frequenzcharakteristik
usw. angestrebt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen elektroakustischen
Wandler zu schaffen, bei iirelchem der mechanische Widerstand, welcher durch ein elastisches Stützelement erzeugt
wird, welches an einer piezoelektrischen Membran anliegt, auf ein Minimum gebracht werden kann, ohne den Wandlerwirkungsgrad,
die Frequenzcharakteristik usw. nachteilig zu beeinflussen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß bei einem piezoelektrischen elektroakustischen Wandler eine piezoelektrische
Membran verwendet wird, welche an ihren Randabschnitten durch ein Halteelement gehalten ist, welches einen
gekrümmten !Peil hat, um der piezoelektrischen Membran wenigstens eine der beiden Eigenschaften der Elastizität und Spannung
zu verleihen.
Somit wird gemäß der Erfindung ein elektroakustischer Wandler
mit einer piezoelektrischen Membran geschaffen, die von
einem Halteelement gehalten wird, welches einen gekrümmten Abschnitt aufweist, um eine geeignete Elastizität und/oder
Spannung auf die Membran zu übertragen, damit die akustischen Eigenschaften verbessert werden, ohne den Wirkungsgrad einer
elektromechanischen Umwandlung des Wandlers zu beeintrechtigen.
509838/0745
Die Erfindung wird nachfolgend "beispielsweise anhand der
Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht, welche einen herkömmlichen,
piezoelektrischen elektroakustxschen Wandler darstellt,
Pig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in der Fig. 1,
Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch eine weitere Art eines
herkömmlichen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer Anordnung eines
Halteelementes und einer durch dieses Halteelement fest gehaltenen piezoelektrischen Membran, wobei derjenige
Zustand dargestellt ist, in welchem die gekrümmte Konfiguration des Halteelementes gemäß
der Erfindung noch nicht hergestellt ist,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform
gemäß der Erfindung,
Fig. 6 einen Querschnitt entlang der Linie VI-VI in der Fig.5,
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer v/eiteren Ausführungsform
gemäß der Erfindung,
Fig. 8 eine perspektivische Darstellung eines Halteelementes, welches gekrümmt werden soll, und
Fig. 9 eine perspektivische Darstellung des Halteelementes gemäß Fig. 8, welches sattelförmig gekrümmt ist.
509836/0 745
In der Zeichnung sowie in der nachfolgenden Beschreibung sind gleiche Teile und Bauteile mit gleichen Bezugszeichen
versehen.
In den Fig. i und 2 ist ein herkömmlicher Wandler dargestellt,
bei welchem ein elastisches Stützelement c um den Umfang eines zylindrischen Körpers b herum angeordnet ist
und wobei um den Umfang des elastischen Stützelementes c eine piezoelektrische Membran a derart angeordnet ist, daß der
elastische Körper c radial nach innen gedrückt wird. An beiden Enden des zylindrischen Körpers b sind Halteplatten d angebracht,
die aus einem starren Material bestehen. Wenn der piezoelektrischen Membran a ein Wechselstrom zugeführt wird,
dehnt sich die piezoelektrische Membran a abwechselnd aus und zieht sich zusammen, und zwar entlang ihrem Umfang. Demgemäß
vibriert bzw. schwingt die piezoelektrische Membran in einer radialen Richtung.
In der Fig. 3 ist ein weiterer herkömmlicher piezoelektrischer
Wandler dargestellt, bei welchem ein elastisches Stützelement 3 auf einer Grundplatte 4- angebracht ist, die eine
Vielzahl von Poren aufweist, die eine vorgegebene Konfiguration und eine vorgegebene Größe haben. Eine piezoelektrische
Membran 2 ist über dem elastischen Stützelement 3 angeordnet, und beide Enden dieser Membran 2 sind auf einer Grundplatte 4-durch
Halteelemente 1 befestigt. Dies führt zu dem Ergebnis, daß das elastische Stützelement 3 einen Druck auf die Membran
2 ausübt. Wenn ein Wechselstrom an die Membran 2 angelegt wird, so dehnt sich die Membran 2 abwechselnd aus und zieht sich
zusammen und zwar in einer Richtung entlang ihrer Ebene. Deshalb vibriert bzw. schwingt die piezoelektrische Membran 2
in der Richtung senkrecht zu der Ebene der Membran 2.
50 9836/0745
— fo —
Herkömmliche piezoelektrische elektroakustische Wandler
mit einer solchen Struktur, wie sie oben beschrieben wurden, haben verschiedene Nachteile.
In der Fig. 4 ist eine Anordnung eines Halteelementes und
einer dadurch gehaltenen piezoelektrischen Membran dargestellt. Mit 1 ist ein Halteelement bezeichnet, welches aus einem starren
Material wie einem Metall oder einem Hartplastik besteht. Mit 2 ist eine Membran bezeichnet, die aus einer dünnen Folie
eines polymeren Materials mit einem hohen Molekulargewicht wie Polyvinylidenfluorid (PVF2), Polyvinylfluorid (PVF),
Polyvinylchlorid (PVC), Hylon-11 oder Polypeptid (PMG) oder
einem ähnlichen Material besteht.
In der Fig. 5 ist eine Ausführungsform gemäß der Erfindung
dargestellt, welche dadurch hergestellt wird, daß die in der Fig. 4 dargestellte Anordnung derart gekrümmt wird, wie es
in der Zeichnung dargestellt ist. Diese erfindungsgemäße Anordnung kann auch dadurch hergestellt werden, daß zwei gegenüberliegende
Seiten eines Haiteelementes 1 vorab gekrümmt
bzw. gebogen werden und daß dann eine piezoelektrische Membran an ihrem Randbereich mit dem Halteelement 1 gemäß der Darstellung
fest verbunden wird.
Die Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch die Anordnung gemäß Fig.5·
Die piezoelektrische Membran 2 ist so ausgebildet, daß sie innerhalb des Bereiches vibriert bzw. schwingt, der durch
die zwei strichpunktierten Linien dargestellt ist.
In der Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung
dargestellt, wobei mit 1 ein Halteelement bezeichnet ist, welches aus einem starren Material wie Metall oder Hartplastik
besteht und Seitenteile 1a aufweist, welche sich entlang
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einer X-Achse erstrecken, weiterhin Seitenteile 1b aufweist,
welche sich entlang einer Y-Achse erstrecken, wie es in der Zeichnung dargestellt ist. Die Seitenteile 1a und die Seitenteile
1b sind in umgekehrten Richtungen entlang einer Z-Achse gekrümmt. Wie aus der Darstellung hervorgeht, sind die Seitenteile
1a nach oben gekrümmt, während die Seitenteile 1b nach unten gekrümmt sind. Mit 2 ist eine Membran aus einer
dünnen Folie eines polymeren Materials mit einem hohen Molekulargewicht bezeichnet, wie es oben bereits angegeben wurde.
Wenn die Membran 2 fest mit ihren Bändern an dem Halteelement
1 befestigt ist, so entsteht die Konfiguration wie bei einem Sattel.
In den Fig. 8 und 9 ist Jeweils ein Halteelement 1 dargestellt,
und zwar bevor und nachdem es einer Bearbeitung unterworfen wurde, bei welcher es eine gekrümmte Konfiguration erhält.
Ähnlich wie im Falle der Membrananordnung gemäß Fig. 5 können zwei Verfahren zur Herstellung der sattelförmigen piezoelektrischen
Membrananordnung gemäß Fig. 7 angewandt werden. Ein Verfahren besteht darin, ein Halteelement gemäß Fig. 8 einer
Bearbeitung zu unterwerfen, um eine gekrümmte Konfiguration zu erhalten, nachdem eine Membran fest an dem flachen Halteelement
1 befestigt wurde. Das andere Verfahren besteht darin, ein Halteelement 1 einer Bearbeitung zu unterziehen, um eine
gekrümmte Konfiguration gemäß Fig. 9 zu erhalten und dann
eine Membran mit ihren Rändern fest an dem Halteelement 1 anzubringen.
Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen ist das Halteelement
rechteckig, wobei die vier Seiten des Halteelementes
aus einem Stück bestehen, und die gekrümmten Seiten sind in bezug auf ihre Mitte symmetrisch gekrümmt. Diese Punkte sind
jedoch bei der piezoelektrischen Membrananordnung des
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elektroakustischen Wandlers gemäß der Erfindung nicht notwendig. Das Ealteelement kann quadratisch oder ringförmig
sein, die Seiten des Halteelementes müssen nicht notwendigerweise aus einem Stück bestehen und die Krümmung muß nicht
notwendigerweise symmetrisch sein. Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß selbst dann, wenn eine Krümmung nur in einem
Abschnitt des Halteelementes vorhanden ist, die Aufgabe der Erfindung in gewissem Umfang gelöst wird.
Wenn im Betrieb ein Wechselstrom an die Membran 2 angelegt wird, dehnt sich die Membran 2 abwechselnd aus und zieht sich
zusammen. Da die Membran 2 gemäß der Krümmung des Halteelementes 1 gebogen ist, wird der Vorgang des Ausdehnens und des
Zusammenziehens in eine Schwingung umgewandelt, wie es in der Fig. 6 durch zwei strichpunktierte Linien angedeutet ist.
Bei dieser Anordnung ist ein elastisches Stützelement nicht unbedingt erforderlich, um das Ausdehnen und das Zusammenziehen
der Membran 2 in eine Schwingung umzuwandeln.
Auf diese Weise ist es möglich, einen mechanischen Widerstand auf ein Minimum zu bringen, der üblicherweise durch ein
elastisches Stützelement ausgeübt wird, welches an einem Diaphragma anliegt, ohne den Übertragungswirkungsgrad, die
Frequenzcharakteristik usw. zu beeinträchtigen. Folglich werden die akustischen Eigenschaften eines piezoelektrischen
elektroakustischen Wandlers gemäß der Erfindung wesentlich verbessert.
- Patentansprüche -
509836/074
Claims (6)
- PatentansprüchePiezoelektrischer elektroakustischer Wandler, dadurch gekennz eichnet, daß eine piezoelektrische Membran (2) vorgesehen ist, welche an ihren Randabschnitten durch ein Halteelement (1) gehalten ist, und daß das Halteelement einen gekrümmten Teil aufweist, um der piezoelektrischen Membran (2) wenigstens eine der beiden Eigenschaften der Elastizität und Spannung zu verleihen.
- 2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daßdas Halteelement (1) einen gekrümmten Teil aufweist, welcher vier Seiten hat, die ein Viereck bilden, und daß die vier Seiten ein Paar von gegenüberliegenden Seiten haben, die jeweils gekrümmt sind.
- 3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daßdas Paar von gegenüberliegenden Seiten symmetrisch in bezug auf deren Mitte gekrümmt ist.
- 4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daßdas Halteelement (1), welches einen gekrümmten Teil aufweist, vier Seiten (1a, 1b, 1a, 1b) hat, die ein Viereck bilden, und daß die vier Seiten zwei Paare (1a, 1b) von gegenüberliegenden Seiten haben, die jeweils gekrümmt sind.
- 5. Wandler nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Paare (1a, 1b) von gegenüberliegenden Seiten in zueinander entgegengesetzten Richtungen gekrümmt sind.
- 6. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement (1), welches einen gekrümmten Teil hat, ringförmig ausgebildet ist.09836/0745Leerseite
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