DE3009068A1 - Piezopolymer-wandler mit fester membranunterstuetzung - Google Patents

Piezopolymer-wandler mit fester membranunterstuetzung

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DE3009068A1 DE19803009068 DE3009068A DE3009068A1 DE 3009068 A1 DE3009068 A1 DE 3009068A1 DE 19803009068 DE19803009068 DE 19803009068 DE 3009068 A DE3009068 A DE 3009068A DE 3009068 A1 DE3009068 A1 DE 3009068A1
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Reinhard Dipl.-Ing. Lerch
Gerhard M. Prof. Dr.rer.nat. 6100 Darmstadt Sessler
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Siemens AG
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    • Y10S310/80—Piezoelectric polymers, e.g. PVDF

Description

A η r. f · ] der :
h e i η h a r d L e r c r., w i ε 5 e η 5 c- h a f 11 i c h e ■ r Ki t arbeiter,
K e r c k ε t r a fr e 2 b , 6 1ÜO Larcriadt
Dr. Gerhard K. Ec-SEler, Frofessor,
Merckstrafce 25> , 6100 Darn.stadt
P i e ζ ο ρ c 1 y ITi e r - V.' a η G 1 e r rc i t f e ε t e r K e rr. b r a η u η t e r s t ü t ζ u η g
Die Erfindung betrifft elektroakustisch^, akustoelektrische,
elektromechanisehe und rr.echarjoe 1 ekt r i sehe P i ezopcl ymer-Wand 1 er , z.B Mikrophone, Kopfhörer und Lautsprecher, die iir. Fernsprechu η d Nachricht, enübertrofunfswesen, i rr. Rundfunk- und F e r η ε e h betrieb, in "HiFi-Anwendunger:, auf der. F h ο η ο g e t i e t usw. Verwendung finden.
Es ist Zweck dieser Erfindung, eine bessere U rr. wand Iu ng vor. mechanischer, in elektrische N achrichte η signale und u rr, gekehrt zu bewerkstelligen air oifr bei den bis her verwerteten Wandlern r.it F i e ζ c ρ c i y rr. e r t. r. der Fall war. I π ε t ■ e ε c r. c e r ( gewährleisten die vorgeschlagenen Wandler eine hohe mechanische Kerr, branstabilität u r,"d darr, it geringe Anderen ge r, irr. übertragungsf akt or infolge Fehl er to 1 er anz er. bei der Herstellung oder infolge ν ei η thermischer Langzeitbelastung.
P j e ζ ο ρ ο 1 y rr. e r - W & r. c i e r auf E : e g e ε c h w i η g e r b a r i ε- b e- ε t e■ h e r. aus einer beidseitig metallisierter. I c ] y r. e r f c.1 i e , c i t ir, geeigneter Weise gewMbt und am Rande eingespannt ist. lie Wölbung sorgt einerseits für eine Linearisierung ce-ε Urw a τ·, d 1 u r. g s ρ r ο r e ε i e ε u η c t e w e r k ε t ': L 1 : g t a r. d e r e r ί■ e 11 .· e ι r. ( bessere Ar, passur.g de: War. el er ε ar. ca: umgfter.ee Keciur (z.B. Luft). Lie nc t we. r.c i g e Merr.br ar.wc 1 bung wurde bisher auf zweierlei Art erreicht, bei cer. älterer, Syst em er, wurde c : e hi :■'.;; .\n lE'.r'.rü „ : * : f : ' r < i ε * r f r,;; · α ε \ ·. r fchoi.n.etci !fliJCK r t Zi g e r. . ε ι e b ( : K . "ariaf, et al., '':.·:- t r c· a c c u ε t ι c T r a ι r r u c e r ε wilt, ί : '. r < t ϊ e c t r i ι P : 1 r. r " , J . A u ": : c E r: g . See. <■ - , c '■·■"'.' . Ir. r f . t r < r < < i t w u r c < r el e r r '. r · ' -
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NACHQEF.riiC'oT
über Systeme rr.it freitragenden Fiezcpolymermembranen vorgeschlagen, die den Vorteil höh.erer Empfindlichkeit, vor allem bei tiefer, Temperaturen, haben (siehe R. Lerch, "Electroacoustic transducers using piezoelectric polyvinyl· idenefluoride films", J. Acoust. Soc. Am. b§_, 952(1979) ). Der Übertragungsfaktor des Wandlers kann mittels der Membrangeometrie sehr stark beeinflußt werden. Dies birgt mehrere Nachteile in sich:
a) aufgrund der bei Schäumst offunter1agen oder bei freitragenden Membranen zu erwartenden Fertigungstoleranze η ist die Reproduzierbarkeit des übertragungsfaktors von Wandler zu Wandler relativ gering
b) durch ungewollte geometrische Verformungen der Membran, etwa durch längere Hitzeeinwirkung, ist eine Veränderung des Übertragungsfaktors möglich.
Besonders nachteilig wirken sich dabei ungewollte frequenzmäßige Verschiebungen der mechanischen Resonanzen aus. Fiezοpolymer-Wandler mit Schaumstoffunterlage oder in freitragender Ausführung zeigen daher relativ große Fertigungstoleranzen und weisen eine relativ geringe Langzeitstabilität auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile der bisher bekannten Piezopolymer-Wandler durch entsprechende konstruktive Änderungen zu beseitigen.
Diese Aufgabe wird erfi ηdungs mäßig dadurch gelöst, daß die piezoelektrische Polymermembran in einem oder mehreren Punkten oder entlang von Linien oder Flächen auf der Membra nun t er seit e- iert unterstützt oder befestigt wird, so dai sich eine ir. geeigneter Weise gewölbte Kern bra n oberfläche mit fester Unterstützung ergibt.
I i e ε r Weitung ware c a η r einerfeitr durch die A u f1a g e ρu ηkte, -linier, cc er -flacher, und andererseits durch die elastischen F i ge r. schaft er. der Membran bedingt. Hat man z.E. eine
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NACHGIZP SUCHT I
kreisförmige Membran, die neben der Randeinspannung nur einen einzigen weiteren Auflagepunkt im Mittelpunkt der Membran besitzt, so wird die Membran durch diesen Auflagepunkt nicht kegelförmig sondern zeltförmig verformt. Man erhält also eine nichtabwickelbare Membranfläche, die zu einem linearen Umwandlungsprozeß führt. Ähnlich führen auch andere geeignete Auflagegeometrien zu den gewünschten Membranwölbungen.
Die feste Unterstützung der Membran kann aus einer geeignet geformten metallischen oder nichtmetallischen Platte bestehen, die Erhebungen aufweist, oder aus einer oder mehreren stabförmigen Stützen bestehen, auf denen die Membran aufliegt.
Zur Erzielung einer gewünschten Strömungsdämpfung kann die Membranunterstützung mit Kanülen durchsetzt sein oder aus porösem Material bestehen. Dabei muß das Koppelvolumen so bemessen sein, daß Strömungseffekte in den Kanülen bzw. Poren wirksam werden.
Die Lage der Resonanzfrequenzen und die Empfindlichkeit kann durch entsprechende Dimensionierung der statischen mechanischen Membranvorspannung verändert werden, was durch geeignetes Spannen der Membranfolie über die feste Membranunterstützung erreicht werden kann.
Zur Erzielung eines möglichst kleinen Temperaturkoeffizienten des Wandlerübertragungsfaktorε kann die feste Unterstützung der Membran auch aus einem Werkstoff mit gleichem oder ähnlichem Temperaturkoeffizienten wie die Membranfolie bestehen .
Weitere Modifikationen bestehen darin, daf· die Membran, die häufig vor der Installation im Wandler eine ebene Form besitzt, zunächst sphärisch oder andersartig vorgeformt wird,
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Wr:
NACHGr-ί ;aci ίτ
was bei den piezoelektrischen Hochpolymeren ohne weiteres möglich und bekannt ist. Auch kann die Membran zur Erzielung großer Piezokonstanten vor oder während der Polarisation ein- oder zweiaxial gereckt werden.
Das zur Zeit am besten geeignete hochpolymere Membranmaterial ist Polyvinylidenfluorid, welches aus Kettenmolekülen mit der Summenformel (CF,CH ) besteht und abgekürzt als PVDF oder PVF bezeichnet wird. Jedoch können auch andere Materialien, z.B. Polyvinylfluorid, Polyvinylchlorid usw. als piezoelektrisches Membranmaterial Verwendung finden.
Die erzielbaren Vorteile dieser Kandier liegen einerseits in der Möglichkeit, Piezopolymer-Wand1 er auf einfache Weise mit geringen Fertigungstoleranzen bezüglich der Membrangeometrie in größeren Stückzahlen herzustellen. Die exakte Membrangeometrie wiederum hat ein definiertes übertragungsverhalten der Wandler zur Folge; d.h. es gibt kaum Abweichungen in Empfindlichkeit und Resonanzlage bei verschiedenen Wandlern einer Serie.
Andererseits bedingt die feste Membranunterstützung eine hohe mechanische Festigkeit der FoIienmembranen bei hohen Luft- und Körperschallpegeln. Dieserart Wandler sind auch im Gegensatz zu den früheren Arten thermisch langzeitstabi1, da der Membranfolie die Geometrie durch die festen Unterstützungen im gesamten interessanten Temperaturbereich aufgezwungen wird .
Ein weiterer Vorteil dieser Wandlerart liegt in der Möglichkeit, zwei weitere Parameter, mittels derer man das Wandlerübertragungsverhalten beeinflusser, kann, unabhängig voneinander wählen- zu können. Pier- sind einerseits die statische mechanische M err. br ar. spannung und andererseits die Strömungsdämpiung, welche entsteht, wenn das Koppelvolumer, zwischen Memtranfc1ie und der fert.en Membranunter-
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Stützung Hf ir. irt und aufct-rd t-ir, die Mt;mbranunterstützunf mit Kanüler, durchretzt itt oder aur porösem Material bt■-steht.
Ein weiterer Vorteil ir, Vergleich zu den Wandlern mit elastisch unterstützten Membranen besteht darin, daß bei den hier gezeigten Systemen die Piezopolymer-Membranen größere Auslenkungen ausführen können. Daher ist beim Einsatz dieser Wandler als Lautsprecher oder Hörer eine verzerrungsfreiere Wiedergabe bei höheren Scha 11 drucken möglich.
Die Erfindung wird im nachstehenden an Hand von zwei Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt
Abb. 1 ein Piezopolymer-Mikrophon mit ringförmig unterstützter Membran
Abb. 2 einen Piezopolymer-LautSprecher oder -Hörer mit punktförmig unterstützter Membran
Die in Abb. 1 wiedergegebene Ausführungsform zeigt den Folienträger 1, der gleichzeitig die innere Elektrode' bildet, bestehend aus einem Metal 1zylinder mit sphärischer Abdeckung, auf der ringförmige Erhebungen 2 zur Stützung der Folienmembran 3 stehen. Zur Vergrößerung des Koppelvolumens k und Erzielung einer Strömungsdämpfung wurde die sphärische Abdeckung mit Kanülen 5 durchsetzt, welche den Rückraum 6 akustisch ankoppeln. Das zylindrische Gehäuse bildet zum Zwecke der Schirmung die äußere, auf Massepotential liegende Elektrode. Die beidseitig metallisierte Piezopolymerföl ie 3 wird unter leichter mechanischer Spannung zwischen die beiden Elektroden geklemmt. Durch die leichte Vorspannung wird eine allseitige Auflage der Membran auf den ringförmigen Stützen gewährleistet.
Bei der Ausführungsform gemäß Abb. 2 wird die metallisierte und polarisierte PVF -Folie E in da? Mikrophongehäuse 9 geklemmt. Die stabförmige Stütze 10, welche in einer zylindrischen Isolation geführt wird, hat zwei Funktionen. Zum einen stellt sie die innere Elektrode dar, andererseits erzeugt sie die notwendige Membranwölbung. Die Größe der mechanischen Vorspannung .kann über die Einschraubtiefe dieser st atf örrr. i gen Stütze variiert werden.
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pan

Claims (1)

  1. Patentansprüche :
    lly Piezopolymer-Wandler in der Form eines elektroakustischer., akuFtoelektrischen, elektrorr,echanischen oder mechanoelekirischen Wandlers
    dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Polymermembran in einem oder mehreren Punkten oder entlang von Linien oder Flächen fest unterstützt oder befestigt ist, so daß sich eine in geeigneter Weise gewölbte Membranoberfläche mit fester Unterstützung ergibt.
    2. Piezopolymer-Wandler nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeicnnet, daß die feste Unterstützung aus einer geeignet geformten metallischen oder nichtmetallischen Platte besteht, die Erhebungen aufweist, auf denen die Membran aufliegt.
    3. Piezopolymer-Wandler nach Anspruch 1 ,
    dadurch gekennzeichnet, daß die feste Unterstützung aus einer Stütze besteht, die gegen den Membranmittelpunkt drückt und dadurch die Membran zu einer zeltförmigerf Fläche deformiert.
    ^t. Piezopolymer-Wandler nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die feste Unterstützung aus einer dicht hinter der Membran befindlichen, geeignet geformten Platte besteht, so daß zwischen Membran und Platte ein Koppelvolumen entsteht. Der geringe Abstand zwischen Membran und F'Jatte wird durch die linien- oder punktförmigen Erhöhungen, auf denen die Membran aufliegt, definiert hergestellt.
    5- Piezopolymer-Wandler nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die feste Unterstützung aus einer dicht hinter der Memt rar, befindlichen, geeignet geformten Platte besteht, d i( mit Kanülen d u r ch s e t ζt
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    αεί oder auf. ρ ο rose π. (z.b. geFintertem) Material besteht, so daß die mechanischen Resonanzen der Membran durch Strörr.ungsdämpfung unterdrückt werden.
    6. Piezopolymer-Wandler nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet dadurch, daß die statische mechanische Membran vorspannung, mit deren Hilfe die Empfindlichkeit der Wandler sowie die Lage der Resonanzen beeinflußt werden kann, als weiterer unabhängiger Parameter zur Veränderung des Wandlerübertragungsverhaltens bereitsteht.
    7- Piezopolymer-Wandler nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet dadurch, daß die feste Unterstützung aus einer geeignet geformten Platte au: einem Werkstoff mit dem gleichen oder ähnlichem Temperaturkoeffizienten wie die Membranfolie besteht.
    8. Piezopolymer-Wandler nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Polymermembran in geeigneter Weise verformt und / oder gereckt wird.
    9- Piezopolymer-Wandler nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet dadurch, daß die piezoelektrische Membran aus Polyvinylidenfluorid oder einem ähnlichen piezoelektrischen Material besteht.
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