DE2739735A1 - Verfahren zum herstellen eines piezoelektrischen wandlers - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines piezoelektrischen wandlers

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DE2739735A1
DE2739735A1 DE19772739735 DE2739735A DE2739735A1 DE 2739735 A1 DE2739735 A1 DE 2739735A1 DE 19772739735 DE19772739735 DE 19772739735 DE 2739735 A DE2739735 A DE 2739735A DE 2739735 A1 DE2739735 A1 DE 2739735A1
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De Boer Abe Posthuma
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Philips Gloeilampenfabrieken NV
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Description

N.V. Philips' G.'ocilaiPpjnfüb.-iik:^ Eindhoven Jw/evh.
- y - 17.8.77.
Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Wandlers
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Wandlers, der mit einer Membran versehen ist, die aus einer Folie aus piezoelektrischem Material besteht und welche Membran an ihrem Rande freiliegend in einem rahmenförmigen gekrümmten Träger befestigt wird.
Unter freiliegend wird dabei verstanden, dass die Membran ausser durch die Befestigung am Träger, nicht weiter unterstützt wird.
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Unter gekrümmtem Träger wird verstanden, dass der Befestigungsrand des Trägers nicht in einer Ebene liegt. Die Membran selbst bildet dadurch eine gekrümmte Oberfläche, deren Krümmung zu einer gewissen Steifigkeit der Membran führt, die für akustische Zwecke für erwünscht gehalten wird.
Ein Verfahren wie obenstehend beschrieben ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift Nr. 2 508 556 bekannt. Die Folie wird hier z.B. durch Verleimen in einem gekrümmten Rahmen mechanisch befestigt. Meistens erfolgt das Anordnen dieser Folie dadurch, dass in diese Folie eine gewisse mechanische Vorspannung'.gebracht wird, damit der freiliegenden Folie die gewünschte Oberfläche gegeben werden kann.
Die Vorspannung, die durch Dehnung entsteht, führt bei der Montage dieser Folie im Rahmen zu Schwierigkeiten. Es können Wellen entstehen, wodurch das akustische Verhalten der Folie unakzeptierbar wird, während weiter eine ungleiche Spannungsverteilung in der Folie auftritt, die zu Rissbildung führen kann.
Um diese Wellen dann zu entfernen müsste die Folie extra gedehnt werden, wodurch eine erhöhte Gefahr vor Rissbildung in der Folie droht. Insbesondere wenn die Folienoberfläche eine gekrümmte nicht abwickelbare Oberfläche erhalten muss, stellt es sich heraus, dass diese Methode nicht den Anforderungen entspricht.
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PHN. 8523.
In der niederländischen Auslegeschrift Nr. ^ $1k wird zur Losung des obengenannten Problems eine vorübergehend unter der Folie angebrachte zweite Folie verwendet, die später entfernt wird.
Die Erfindung gibt eine ganz andere Lösung, mit der bezweckt wird, den obengenannten Mangel zu vermeiden und weist dazu das Kennzeichen auf, dass von einer verstärkten Folie ausgegangen wird, die nach Befestigung im Träger gleichmässig erwärmt wird bis zu einer Temperatur, bei der die Membran zu einer faltenlos gekrümmten Oberfläche schrumpft, welche Temperatur niedriger gewählt worden ist als die, bei der die piezoelektrischen Eigenschaften des polymeren Materials verlorengehen.
Dabei wird unter verstärkter Folie eine Folie verstanden, die unter dem Einfluss mechanischer Spannungen bis über ihre Fliessgrenze hinaus gedennt wird. Sie kann dabei eine Längenänderung von über 10O^ nach der Straffungsbewegung erfahren.
Durch dieses Straffen, das meistens unter gleichzeitiger Erwärmung erfolgt, wird bei Anlegen eines vorpolarisierenden Feldes der gewünschte Wert der piezoelektrischen Konstanten erhalten. Diese piezoelektrische Konstante überwiegt in der Straffungsrichtung.
Die Erfindung benutzt den an sich bekannten Effekt, dass gestraffte Polymerfolien infolge von Warme schrumpfen.
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Geht man von gestrafften Polymermaterialien aus, so wird gefunden, dass diese Materialien bei Erwärmung eine starke Schrumpfneigung aufweisen in einer Richtung, die der Straffungsrichtung entgegengesetzt ist. Dieses Schrumpfen verursacht eine Längenänderung die in der Grössenordnung von Prozentsätzen liegt. Weil die Folie im geschrumpften Träger gespannt ist, wird sie durch dieses Schrumpfen gestrafft werden, wobei die in der Folie auftretenden mechanischen Spannungen homogen verteilt sind (also die Gefahr von Rissbildung wird minimal), während diese Spannungen gerade in derjenigen Richtung auftreten, in der der piezoelektrische Effekt vorwiegt und das gewünschte akustische Verhalten erhalten wird.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass dieses Schrumpfen noch gerade erfolgen kann bei einer Temperatur, bei der die piezoelektrischen Eigenschaften des Folienmaterials beibehalten werden.
Für ein Material wie Polyvinylidenfluorid liegt diese Temperatur zwischen 70 und 90°C. Die Geschwindigkeit, mit der erwärmt wird, spielt dabei keine Rolle, wenn die Erwärmung nur gleichmässig erfolgt. Wohl aber die Höhe der Temperatur, von der der Schrumpfeffekt und damit das Ausmass an Straffung der Folie abhängig ist.
Die Dirnensionsänderung der Folie infolge der Schrumpfung ist so gross, dass fast jede gewünschte
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gekrümmte Oberfläche ohne jegliche Welligkeit erhalten werden kann. Dabei ist es möglich der piezoelektrischen Membran viele Formen mit Minimalenergie-Oberflächen, sogenannten "Seifenflies"-Oberflachen zu geben.
Die Dimensionsänderung infolge des Schrumpfens ist
so klein, dass auch piezoelektrische Folien, die zuvor auf beiden Seiten mit Elektroden versehen wurden, beim erfindungsgemässen Verfahren verwendet werden können. Die meistens nur eine /um dicken Metallschichten der Elektroden be— einflussen das Schrumpfen der Membran durchaus nicht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den
Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden naher beschrieben, Es zeigen:
Fig. 1 und Fig. 2 Membranen mit einer gekrümmten
Oberfläche in einem gekrümmten Rahmen, die sich nach dem erfindungsgemässen Verfahren herstellen lassen,
Fig. 3 eine schemätische Darstellung der Wärmebehandlung von Membranen nach der Erfindung,
Fig. k und Fig. 5 graphische Darstellungen, in
denen der piezoelektrische Faktor bzw. der Schrumpfwert einer piezoelektrischen Folie als Funktion der Temperatur aufgetragen worden ist.
In Fig. 1 wird eine montierte Membran nach der Erfindung dargestellt. Die Membran 1 besteht aus einer Folie aus Polyvinylidenfluorid, welches Material piezoelektrische Eigenschaften erhalten kann» nachdem es einer
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Spezialbehandlung ausgesetzt worden ist. Die Folie ist dazu vorher verstärkt worden, d.h. derart gedehnt, dass es eine bleibende Verformung erfahrt, also bis über die Fliessgrenze hinaus belastet wird. Erfolgt dieses Dehnen in einem senkrecht auf der Straffungerichtung stehenden elektrischen Feld, wobei die Folie gleichzeitig auf eine erhöhte Temperatur gebracht worden ist, z.B. 900C, so stellt es sich heraus, dass sie in der Straffungsrichtung piezoelektrisch geworden ist.
Die Membran ist freiliegend» d.h. mit ihrem Rand in einem nahezu rechteckigen starren.Rahmen 2 befestigt. Sie kann vorher mit'Elektroden versehen sein, z.B. durch Aufdampfen einer geeigneten Metallschicht wie Aluminium. Es stellt sich heraus, dass eine derartige aufgedampfte Schicht trotz der nachfolgenden Bearbeitungen gut an der Folie haftet.
Der Rahmen 2 ist gekrümmt ausgebildet. Jedes Paar einander gegenüber liegender Seiten diese· Rahmens ist auf identische Veise gekrümmt. Das Paar 3 1st nach oben, das Paar k nach unten gekrümmt.
Die Befestigung der Membran 1 in Rahmen 2 geschicht wi· folgt. Zunächst wird die sassgeschnlttene Folie
' mit den Selten 3 und 4 des Rahmens verleimt. Dies geschieht ohne oder mit sehr geringer mechanischer Vorspannung in Folienmaterial. Die Membran nähert dann etwa der gewünschten
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Form, die durch die Krümmungen der Seiten 3 und k des
Rahmens bestimmt wird.
Es ist dabei unvermeidlich, dass eine oder mehrere Wellen oder Falten in der Folie entstehen,
Nach Trocknen des Leimes wird die Membran einer Wärmebehandlung ausgesetzt, die innerhalb einer Temperaturstrecke von 70 bis 900C erfolgt. Durch die Erwärmung
schrumpft die Folie in der der ursprünglichen Straffungsrichtung entgegengesetzten Richtung, wodurch die ggf. vorhandenen Wellen verschwinden und die Membran im Rahmen
gestrafft wird. Die Membran erhält dann die für akustische Zwecke erforderliche Form und Steifigkeit, wobei die
mechanische Spannung infolge dieses Schrumpfens zugleich für eine Kontraktion in der Querrichtung sorgt, wodurch
15* die Membran die Gestalt einer straff gespannten "Sattelfläche " annimmt.
In Fig. 2 ist eine andere Membran dargestellt, die in einem nahezu kreisförmigen Rahmen angebracht ist. Auch hier sind Teile des Randes dieses Rahmens gekrümmt
und zwar die einander gegenüberliegenden Teile 11 und 12 nach oben und die einander gegenüberliegenden Teile 13 und nach unten gekrümmt.
Bei der obenetehend beschriebenen Wärmebehandlung •rhält die Membran ebenfalls eine straff gespannte
"Sattelfläch·"-Form.
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In Fig. 3 wird auf schematische Weise dargestellt, wie eine gerade verleimte Membran aus gestrafftem Polymer-Material zwischen zwei WärmeStrahlern angeordnet wird. Die Wärme wird gleichmässig ausgestrahlt und auf die Folie übertragen. Zugleich wird mit Hilfe der Elektroden ein elektrisches Feld angelegt, das zusammen mit dieser Wärme-' behandlung zu den gewünschten piezoelektrischen Eigenschaften der Folie führt. In diesem Beispiel wird also mittels ein und derselben Wärmebehandlung gleichzeitig erhalten, dass sich die Folie auf die erforderliche Weise schrumpft und piezoelektrisch wird.
Auf diese Weise wurde eine Folie aus Polyvinyliden fluorid mit einer Dicke von 25/Um gedehnt bis zu einer Länge von 320%. Danach wurde die Folie 15 Minuten lang bei 80°C in einem Polarisationsfeld von 500 kV/cm gehalten, wodurch sie die piezoelektrischen Eigenschaften erhielt. Daraufhin wurden auf diese Weise erhaltene Folien während jeweils acht Minuten Temperaturen von 80, 90, 100, 110 und 1250C ausgesetzt.
Der Verlauf des piezoelektrischen Faktors d_1 und der Schrumpfung sind als Funktion der Temperatur in den Fig. k und 5 dargestellt. Dabei ist in Fig. h senkrecht der piezoelektrische Faktor d_1 in pC/N und in Fig. 5 senk recht die Schrumpfung in Prozentsätzen, und in den beiden Figuren waagerecht die Temperatur in Grad Celsius aufgetragen.
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Aus Flg. k ist ersichtlich, dass in der Temperaturstrecke von 70 bis 9O0C der piezoelektrische Faktor d„. wenig verläuft, während nach Fig. 5 die Schrumpfung in dieser Temperaturstrecke einige Prozent beträgt, was zum Straffen der Folie in der erforderlichen Sattelform ausreicht.
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ORIGINAL INSPECTED

Claims (1)

  1. PHN. 8523. 17.8.77.
    Patentansprüche:
    1./ Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Wandlers, der mit einer Membran versehen ist, die aus Folie eines, piezoelektrischen Polymermaterials besteht und welche Membran an ihrem Rand freiliegend in einem rahmenförmigen gekrümmten Träger befestigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass von einer gestrafften Folie ausgegangen wird, die nach Befestigung im Träger gleichmässig bis zu einer Temperatur erwärmt wird, bei der die Membran zu einer faltenlos gekrümmten Oberfläche schrumpft, welche Temperatur niedriger gewählt ist als die, bei der die piezoelektrischen Eigenschaften des Polymermaterials verlorengehen.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran bereits vorher auf beiden Seiten mit einer Elektrode versehen ist.
    3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während derselben Wärmebehandlung bei der die Membran bis zur gewünschten Form schrumpft, diese Membran unter dem Einfluss eines angelegten elektrischen Feldes die erforderlichen piezoelektrischen Eigenschaften erhält oder beibehält.
    k. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, angewandt auf eine Folie aus Polyvinylidenfluorid, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung innerhalb einer Temperaturstrecke von 70 bis 900C erfolgt.
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    q PHN. 8523.
    17.8.77.
    5. Wandler, insbesondere Lautsprecher, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche.
    6. Wandler nach Anspruch 5t dadurch gekennzeichnet, dass die Membran durch das angewandte Verfahren eine sattelförmige Oberfläche annimmt.
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DE19772739735 1976-09-13 1977-09-03 Verfahren zum herstellen eines piezoelektrischen wandlers Pending DE2739735A1 (de)

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NL7610124A NL7610124A (nl) 1976-09-13 1976-09-13 Werkwijze voor het vervaardigen van een piezo-elektrische transducent.

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JP (1) JPS5335492A (de)
DE (1) DE2739735A1 (de)
FR (1) FR2364544A1 (de)
NL (1) NL7610124A (de)

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Also Published As

Publication number Publication date
FR2364544A1 (fr) 1978-04-07
JPS5335492A (en) 1978-04-01
NL7610124A (nl) 1978-03-15

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