DE3143027A1

DE3143027A1 - Piezoelektrischer wandler

Info

Publication number: DE3143027A1
Application number: DE19813143027
Authority: DE
Inventors: Akio Osaka Koyano
Original assignee: Sumitomo Special Metals Co Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1980-10-29
Filing date: 1981-10-29
Publication date: 1982-05-06
Also published as: DE3143027C2; US4454386A

Description

O IHOUZ./

-A-

B. ES C H RE IB U NG

Die vorliegende Erfindung betrifft piezoelektrische Wandlerelemente, und zwar insbesondere piezoelektrische Wandlerelemente, die zum Antrieb von schallerzeugenden Elementen in piezoelektrischen Lautsprechern verwendbar sind. 5

Nach dem Stand der Technik sind piezoelektrische Wandler, die dazu verwendet werden können, schallerzeugende Elemente in piezoelektrischen Lautsprechern anzutreiben, bekannt. Diese piezoelektrischen Wandler (die nachstehend als "Wandler" in der Einzahl oder in der Mehrzahl bezeichnet sind) sind normalerweise aus wenigstens einem piezoelektrischen Plättchen aufgebaut, das auf einer metallischen Platte angebracht ist; jedoch sind unterschiedliche Arten solcher Wandler bekannt.

In den US-Patentschriften 3 548 136 und 3 629 625 sind Wandler der Zweielementkristallart vom Scheibentyp bekannt, die aus zwei scheibenförmigen piezoelektrischen Plättchen aufgebaut sind, welche mittels einer scheibenförmigen metallischen Platte getrennt sind. In diesen Wandlern tritt eine Schwingungsbiegung auf, wenn auf die piezoelektrischen Plättchen eine Spannung gegeben wird, und das Ergebnis ist eine Antriebskraft, die auf das schallerzeugende Element wirkt, mit dem die piezoelektrischen Plättchen verbunden sind. Dadurch wieder werden Hörschallwellen erzeugt, die von dem Lautsprecher ausgesandt werden.

Die untere Grenze der SchalIfrequenzen, die das schallerzeugende Element des Lautsprechers erzeugen kann, hängt von der Grundresonanzfrequenz f des Wandlers ab, die diesem zugeordnet ist. Wenn zum Beispiel die piezoelektrischen Plättchen der Zweielementkristallwandler vom Scheibentyp und die

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schachtförmig dazwischen angeordnete metallische Scheibe Außendurchmesser von 24,3 nun haben und jedes der Plättchen sowie die Platte eine gleiche Dicke von 0,35 mm hat, ist die niedrigste Schallfrequenz, die das zugehörige schallerzeugende Element reproduzieren kann, etwa 4000 Hz. Damit diese Wandler in Verbindung mit schallerzeugenden Elementen brauchbar sind, welche dazu vorgesehen sind, die niedrigsten Schallfrequenzen im Sprachbereich, d.h. etwa 400 Hz, zu reproduzieren, müssen ihre Resonanzfrequenzen um den Faktor 10 vermindert werden«,

Nun sind die Resonanzfrequenzen dieser Wandler ihrer Dicke direkt und dem Quadrat ihres Durchmessers umgekehrt proportional. Wenn die Dicke der Wandler konstant gehalten wird, würde es die Herabsetzung der Resonanzfrequenz um den Faktor 10 infolgedessen erfordern, daß deren Durchmesser etwa 77 mm wäre. Jedoch werden die piezoelektrischen Plättchen üblicherweise aus einer piezoelektrischen Bleititanatzirkonatkeramik hergestellt (wobei jeweils eine Silberelektrode auf beiden Flächen durch Bindung vorgesehen ist), und es ist schwierig, Plättchen solcher Durchmesser herzustellen, und außerdem können sie leicht zerbrechen» Die praktische Grenze des Durchmessers derartiger piezoelektrischer Plättchen be·? trägt etwa 30 mm.

Obwohl die Resonanzfrequenz auch durch Verminderung der Dikke der Plättchen vermindert werden könnte, würde es eine Herabsetzung von f um den Faktor 30 "erfordern, daß das keramische Plättchen eine Dicke von 0,015 mm hat, was ziemlich unpraktisch ist. Die minimale praktische Dicke beträgt etwa 0,08 mm.

Infolgedessen werden Zweielementkristallwandler vom Scheibentyp normalerweise nur in Verbindung mit den hohe Frequenzen reproduzierenden Hochtonkegeln in Lautsprechern verwendet.

In der US-Patentschrift 3 577 020 ist eine weitere Wandlerart beschrieben, nämlich ein rechteckiger Zweielementkristallwandler vom Freiträgertyp. Dieser Wandler, der aus einer rechteckigen metallischen Platte und gesonderten rechteckigen piezoelektrischen Plättchen, die an entgegengesetzten Seiten der metallischen Platte angebracht sind, aufgebaut ist, ist dazu geeignet, starr an einem Ende des Rahmens des Lautsprechers festgeklemmt zu werden, während er an seinem entgegengesetzten Ende an der Konusmembran des Lautsprechers angebracht wird. Dieser rechteckige Zweielementkristallwandler vom Freiträgertyp kann eine Resonanzfrequenz aufweisen, die etwa ein Viertel derjenigen des Zweielementkristallwandlers vom Scheibentyp beträgt. Jedoch sind solche rechteckigen Zweielementkristallwandler vom Freiträgertyp nicht leistungsfähig genug, um Lautsprecherkonen, die zum Reproduzieren von niedrigfrequenten Hörtönen vorgesehen sind, anzutreiben. Ihre Hauptverwendung bestand bisher darin, daß sie in Mikrophonen als schallaufnehmende Elemente vorgesehen waren. Jedoch ist ihre Verwendung in Mikrophonen nicht in vol— lern Umfang wünschenswert, da Wandler in Mikrophonen tatsächlich relativ hohe Resonanzfrequenzen für die Erzielung der besten Wirkung haben sollten. .

Infolgedessen sollen mit der vorliegenden Erfindung Wandler zur Verfugung gestellt .werden, die zum Antrieb der schallerzeugenden Elemente in Lautsprechern verwendbar sind. Insbesondere sollen mit der vorliegenden Erfindung Wandler des Zweielementkristall— bzw.. Bimorphtyps in Freiträgerart, insbesondere rechteckige Wandler dieses Typs"und dieser Art, zur Verfugung gestellt werden, welche zum Antrieb von scha11-erzeugeriden Elementen von Lautsprechern verwendbar sind, die ihrerseits dazu vorgesehen sind, Frequenzen zu reproduzieren, welche dem unteren Ende des Hörbereichs zugeordnet sind.

Kurz zusammengefaßt wird mit der .vorliegenden Erfindung ein Freiträger-Zweielementicris tall- bzw. -Bimorphw.andler, der

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vorzugsweise rechteckig ist, zur Verfügung gestellt, d.h. ein Wandler, der mit seinem einen Ende an dem Rahmen des Lautsprecherkonus festgeklemmt werden kann, und der mit seinem entgegengesetzten Ende an einem Lautsprecherkonus anbringbar ist* und der eine metallische Platte aufweist, sowie ein piezoelektrisches Plättchen, das an wenigstens einer Seite dieser metallischen Platte angebracht ist, und der weiterhin so geformt und bemessen ist, daß das Verhältnis der Breite zur effektiven Länge im Bereich von 0,75 bis 3 liegt, und daß das Verhältnis der Breite an dem Ende, welches an den Lautsprecherrahmen angeklemmt werden soll, zur Wandlerbreite 1 oder niedriger ist.

Die Erfindung sei nachstehend anhand einiger bevorzugter Ausführungsformen, die in näheren Einzelheiten beschrieben werden, unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert; es zeigen;

Figur 1 eine Aufsicht auf einen piezoelektrischen Laut-Sprecher, in dem ein gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauter Wandler vorgesehen ist;

Figur 2 eine Schnittansicht längs der Linie II-II der Figur 3;
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Figur 3 eine schematische Darstellung, welche die grundsätzliche Form eines Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Figur 4 eine Kurvendarstellung, die eine Ausgangscharakteristik des in Figur 3 gezeigten Wandlers veranschaulicht;

Figur 5 eine Kurvendarstellung, die die Beziehung zwisehen dem Abmessungsverhältnis des Wandlers und dessen Resonanzfrequenz veranschaulicht;

Figur 6 eine weitere Kurvendarstellung, die eine Ausgangscharakteristik des in Figur 3 gezeigten Wandlers veranschaulicht;

Figuren'7A bis 7D Aufsichten, die Ausführungsformen von Wandlern zeigen, welche gemäß der Erfindung aufgebaut sind;

Figur 8 eine Kurvendarstellung, die eine Ausgangscharakteristik des in Figur 7D gezeigten Wandlers veranschaulicht;

Figuren 9A bis 9C Aufsichten, die weitere Ausführungsformen von Wandlern repräsentieren, welche gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind;

Figur 30 eine Kurvendarstellung, die eine Ausgangscharakteristik des in Figur 9A gezeigten Wandlers veran- " schaulicht;
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Figur 11 eine Aufsicht, die eine weitere Ausführungsform eines Wandlers repräsentiert, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;

Figur 12 eine Kurvendarstellung, die eine Ausgangscharakteristik des in Figur 11 gezeigten Wandlers veranschaulicht;

Figur 13 eine Aufsicht auf einen anderen Wandler, der gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist; und

Figur 14 eine Kurvendarstellung, die eine Ausgangscharakteristik des in Figur 13 gezeigten Wandlers veranschaulicht.

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Ein piezoelektrischer Lautsprecher, in dem ein gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauter Wandler vorgesehen ist, ist in den Figuren 1 und 2 gezeigt» Der Lautsprecher weist einen Rahmen I₁ einen Dichtring 8 (sowohl der Rahmen 7 als auch der Dichtring 8 ist aus geformtem bzw» gepreßtem Acrylonitrilstyrolbutadiencopolymerharz ausgebildet) und eine Konusmembran 9 auf. Die Konusmembran 9, die auf ihrer oberen (gemäß der Ansicht der Figur 2) Oberfläche eine Mehrzahl von Radialrippen 30 zur Verstärkung aufweist, ist an ihrem äußeren Umfang zwischen dem Rahmen 7 und dem Dichtring 8 eingeklemmt. Der geformte Rahmen 7 besitzt Vorsprünge 11, die sich von seinem oberen (gemäß der Ansicht der Figur 2) Ende weg erstrecken, so daß dessen Befestigung .auf einem gewünschten Träger (nicht gezeigt) ermöglicht wird, und er ist außerdem so geformt, daß er Luftlöcher 12 längs seiner unteren (rückwärtigen) Seite besitzt. Ein Wandler 3,. der gemäß der vorliegenden Erfindung so aufgebaut ist, daß er piezoelektrische Plättchen 3 und 1^J auf entgegengesetzten Seiten einer metallischen Platte 2 aufweist, ist so angeordnet, daß er sich vom Ende 5 zwisehen dem Rahmen 7 und dem Dichtring 8 zur'Mitte 2 2 der konusmembran 9 erstreckt. Ein Leitungsdraht 6 bildet eine Verbindung zu der metallischen Platte '2 des Wandlers_f und ein Leitungsdraht 6' bildet eine Verbindung mit dem piezoelektrischen Plättchen 1. Die piezoelektrischen Plättchen J und 1" bestehen entweder aus. einer Bariumtitanatkeramik oder einer Bleitxtanatzirkonatkeramik, die in der Richtung ihrer Dicke polarisiert ist und Silberelektroden aufweist^ die auf beiden Seiten eingebrannt sind« Die metallische Platte 2 besteht aus einem leitfähigen Material, wie beispielsweise

3Q Phosphdrbronze, Messing oder Aluminium, obwohl auch eine dünne Kunststoffplatte/, die mit einem metallischen Film metallisiert worden ist, verwendet werden kann. Die piezoelektrischen Plättchen sind an .der" metallischen Platte mittels eines. Epoxyharzes befestigt/ das eine starke 'Bindung zwischen der metallischen Platte !und den piezoelektrischen Plättchen herstellt.

Die grundsätzliche Form des Wandlers gemäß der Erfindung ist in den Figuren 2 und 3 gezeigt. Es sei darauf hingewiesen, daß der Wandler in der Form symmetrisch sein kann/ d.h. eine metallische Platte besitzt, die -je ein gesondertes piezoelektrisches Plättchen auf entgegengesetzten Seiten aufweist, oder er kann in der Form asymmetrisch sein, d.h. eine metallische Platte besitzen, die nur auf einer Seite derselben ein piezoelektrisches Plättchen aufweist. Der Wandler vom symmetrischen Typ ist in der Lage, eine leistungsfähige Antriebskraft zu erzeugen, während der Wandler vom asymmetrischen Typ entsprechend nur etwa 1/2 der Antriebskraft liefert; jedoch sind die Wandler vom asymmetrischen Typ trotzdem insofern wertvoll, als ihre Herstellung weniger kostenaufwendig ist.

Wenn ein elektrisches Signal auf den erfindungsgemäßen Wandler von der symmetrischen Art gegeben wird, dann dehnt sich das eine piezoelektrische Plättchen in der Längsrichtung des Wandlers, und das andere Plättchen zieht sich zusammen, so daß der Wandler auf diese Weise eine Biegeschwingung erzeugt, die mit dem elektrischen Signal in Beziehung steht. Die Konusmembran, an welcher der Wandler angebracht ist, schwingt in der Vertikalrichtung (bezogen auf die Figur 2) Tand strahlt eine zugeordnete Schallwelle ab.

Wenn der Wandler andererseits von der asymmetrischen Art ist, dann dehnt sich das eine piezoelektrische Plättchen (die metallische Platte bleibt in ihrer Länge unverändert), und es wird eine Biegeschwingung hervorgebracht, die ähnlich derjenigen ist, wie sie mit einem Wandler der symmetrischen Art erzielt wird. Die Wandler nach der vorliegenden Erfindung werden nachstehend in näheren Einzelheiten bezüglich der asymmetrischen Art erörtert.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, daß ein piezoelektrischer Lautsprecher einen besseren Ton erzeugen .

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kann, wenn das Schwingungsende des Wandlers, das an der Konusmembran angebracht ist, erweitert wird. Es wird angenommen, daß, obwohl die Tonabgabe im Falle eines konventionellen rechteckigen Wandlers nur von der Biegeschwingung ab- hängt, die in Längsrichtung des Wandlers auftritt, dann, wenn der Wandler in seiner Form derart geändert wird, daß er an seinem Schwingungsende, welches sich in Kontakt mit dem Lautsprecherkonus befindet, eine vergrößerte Breite hat,

die Tonabgabe der Konusmembran sowohl aus der Biegeschwingung, die in Längsrichtung des Wandlers wirkt, als" auch aus der Biegeschwingung, die über die Breite des Wandlers wirkt, resultiert. Die Tonabgabe von der Konusmembran wird maximalisiert, wenn die Biegeschwingung des Wandlers maximalisiert ist. Jedoch hat ein konventioneller rechteckiger Wandler im Sprachbereich keine andere Resonanzsstelle als bei der Grundresonanzstelle im Sprachbereich, also keine andere Resonanzstelle als bei der Grundresonanzfrequenz f_Q und bei der primären höheren Resonanzfrequenz fj. im Sprachbereich. Da die Frequenzen f_Q und f₁ ziemlich unterschiedliche Werte haben, tritt bei dazwischenliegenden Frequenzen eine Verzerrung der Tonabgabe auf.

Die Wandler nach der vorliegenden Erfindung weisen eine Biegeresonanzfrequenz f_w zwischen den Frequenzen f_Q und f- auf, und infolgedessen wird die durchschnittliche Tonabgabe in dem Bereich zwischen f_o und f* verbessert. Eine Schwingungsauslenkung bei f_o, f- und f„ ist in gestrichelten Linien in Figur 3 dargestellt. Infolge einer Zunahme der äquivalenten Masse des Wandlers und einer Abnahme des f_Q-Werts wird die Entzerrungsbandbreite vergrößert. Das Ergebnis ist aus Figur 4 ersichtlich.

Das Prinzip der Erfindung besteht daher darin, die Biegeresonanzfrequenz f„ in der Breitenrichtung entsprechend der Breite W wirksam zwischen den Längsbiegeresonanzfrequenzen f_Q und f^, die durch die effektive Länge 1 des Wandlers festgelegt sind, anzuordnen.

Wenn die effektive Länge des Wandlers 1, die Dicke t, die Schallgeschwindigkeit der Biegeschwingung ν und OC₁ eine Konstante sind, dann ist eine Längsbiegeresonanzfrequenz f.

des Wandlers für f_Q, f.. erzielbar bei:

Dann ergibt sich die Biegeresonanzfrequenz f bei einer Breite des Wandlers W und mit einer Konstanten 0C_w zu:

W 2 * ^{l J}

Aus den Gleichungen 1 und 2 erhält man f durch die folgende Gleichung:

₍W_}2

^fW «n

Wie f„ mit Bezug auf fl angeordnet ist/ ist demgemäß aufgrund des Abmessungsverhältnisses W/l des Wandlers festgelegt.

Die durch Messung der Verteilung der Biegeresonanzfrequenzen bei Änderung des AbmessungsVerhältnisses W/l des Wändlers erhaltenen Ergebnisse sind in Figur 5 veranschaulicht.

Die Ergebnisse der Figur 5 wurden durch Untersuchung eines Wandlers erhalten, der ein piezoelektrisches Plättchen J und eine metallische Platte 2 von 0,35 mm Dicke sowie eine effektive Länge 1 von 13 mm hatte, wobei W verändert wurde. Es wurde gefunden, daß die Biegeresonanzfrequenz f zwischen f_ und f liegt, wenn man W/l im Bereich von 0,75 bis 3 wählt, so daß dadurch die Ausgangscharakteristik des Wandlers verbessert wird. Wenn f„ sehr nahe an f_o oder f. herankommt,

J dann wird das durchschnittliche Ausgangssignal zwischen f_ und f.. verzerrt. Um das Ausgangssignal im Sprachbereich zu verbessern, ist es zu bevorzugen, f_w in der Nähe von f_Q auf der Seite niedriger Frequenz anzuordnen. In dieser Hinsicht liegt das bevorzugte Verhältnis von W/l im Bereich von 1 bis 2,75. Da für die Anordnung von f~ eine Hörabschätzung aktuell wichtiger als eine theoretische Abschätzung ist, wurde der Frequenzabgleich gehörmäßig bzw. akustisch abgeschätzt, und das optimale Verhältnis von W/l wurde dahingehend bestimmt, da0 es im Bereich von 1,5 bis 2„5 liegt.

Andererseits muß die Breite W_Q des befestigten Endes des Wandlers (des Endes, das am Lautsprecherrahmen angebracht ist) in einem derartigen Verhältnis zu W stehen, daß W₀/wO ist. Weil der Wert f_Q zu groß wird, wenn sich W_Q/W dem Weft 3 nähert. Und die reproduzierbare Bandbreite wird infolgedessen schmäler, und in Anbetracht dessen, daß sich das Ausgangsniveau bei f_Q verzerrt, wenn sich W_Q/W dem Wert O nähert, beträgt der bevorzugte Wert von W /W »n

0,2<—^- < 0,8.

Da weiter der Lautsprecherrahirien allgemein rund ist, beträgt, wenn man die Wandlercharakteristika von einer Verzerrung freihalten und den Wandler an .seinem festen Ende wirksam an dem runden Lautsprecherrahmen anbringen will, der optimale Wert von W_Q/W

W
0,3 <—— < 0,6.

W

Die Figur 6 zeigt eine Ausgangscharakteristik des Lautsprechers, die erzielt wird, wenn der Wandler in der in Figur 3 gezeigten Form aufgebaut ist, d„h.' in asymmetrischer Art (mit einem"piezoelektrischen Plättchen), wobei das piezo elektrische Plättchen 1 .und die metallische Platte beide eine Dicke von 0,15 mm haben, W den Wert von 24 mm, 1 den

Wert von 13 mm und W_Q den Wert von 10 mm haben und die Länge der Dehnung des schwingenden Endes des Wandlers 8 mm beträgt. Die Figur 6 zeigt eine Kurve, die durch Messen des Tondruckniveaus in einem Abstand von 10 cm auf der Mittelachse an der " Vorderseite des Lautsprechers beim Anlegen einer Konvektionsspannung von 1 Volt Effektivwert am Wandler erhalten worden ist.

Es ist ersichtlich, daß f effektiv zwischen f_Q und f- vorgesehen worden ist, wodurch das Tondruckniveau verbessert wurde.

Jedoch ist der Wandler der Figur 3 polygonal und läßt sich daher unglücklicherweise nicht leicht in Massenproduktion herstellen.

Der bevorzugte Wandler gemäß der Erfindung ist infolgedessen unterschiedlich geformt. Wie die Figur 7A zeigt, können die Ecken der metallischen Platte gerundet sein, und das piezoelektrische Plättchen kann eine rechteckige Form haben, oder das Plättchen kann, wie in Figur 7B gezeigt, die Form einer Scheibe, insbesondere einer kreisförmigen Scheibe, haben, oder die metallische Platte 2 und das piezoelektrische Plättchen können beide die"Form einer Scheibe, insbesondere einer kreisförmigen Scheibe, haben, wie in Figur 7C gezeigt, oder sowohl"die metallische Platte 2 als auch das piezoelektrische Plättchen können in ihrer Form halbkreisförmig sein, wie die Figur 7D zeigt.

Eine Ausgangscharakteristik, welche für diese Wandlerbauweisen repräsentativ ist, wurde an einem Lautsprecher gemessen, in dem ein Wandler vorgesehen war, der die in Figur 7D gezeigte Form hatte, wobei das piezoelektrische Plättchen 1 und die metallische Platte 2 dieses Wandlers einen Halbkreisradius von 25 mm, eine Dicke von 0,1 mm, einen Wert W von 25 mm, einen Wert von 1 von 13 mm und einen Wert von W_n von 10 mm hatten. Die in Figur 8 dargestellten Ergebnisse zeigen,

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daß f_w zwischen f und f. liegt und ein entzerrter bzw. regenerierter Ausgang von etwa 400 Hz an erhalten wird.

Die Figur 9A zeigt einen gemäß einer anderer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebauten Wandler, der in Längsrichtung teilweise verlängert ist, so daß eine vergrößerte Frequenzcharakteristik auf der Niederbereichsseite erzielt wird. Die Figur 10 zeigt die Ergebnisse, die durch Messen der Frequenzcharakteristik des Wandlers erhalten wurden, wobei das piezoelektrische Plättchen 1 und die metallische Platte 2 einen Halbkreisradius von 25 mm, eine Dicke von 0,1 mm, einen Wert W von 25 mm, einen Wert 1 von 13 mm und einen Wert W von 10 mm hatten, wobei ferner das schwingende Ende der metallischen Platte 2 in der Breite an zwei Stellen von 5 mm verlängert wurde, wie dargestellt, wobei ein Endvorsprung 2¹ eine Länge 1' von 17,5 mm hatte, während der andere Endvorsprung 2" eine Länge 1" von 20 mm hatte.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ergibt sich eine Resonanζfrequenz f', die auf der Länge 1* basiert, und eine Resonanzfrequenz f₀"/ die sich von f_Q unterscheidet und auf der Länge 1" basiert, und infolgedessen ist der Entzerrungsbereich weiter nach der Niederbereichsseite ausgedehnt worden. Es ist daher denkbar, daß der Bereich noch weiter verbreitert werden kann, indem der Wandler von einer Verbindungsstelle mit einer Konusmembran teilweise verlängert wird. Der Wandler ist in Figur 9A an zwei Stellen verlängert, jedoch kann ein Endvorsprung im Prinzip nur an einer Stelle vorgesehen sein, wie in Figur 9B gezeigt, oder auch an zwei oder mehr Stellen, wie in Figur 9C gezeigt.

Weiterhin kann, wie in Figur 31 dargestellt, die Form des Wandlers 3 bezüglich der Längsmittelachse Ö asymmetrisch gemacht werden.
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Bei der auf diese Weise zur Mittelachse O asymmetrisch ge*- . machten Form wird die Schwingungsweise bzw. -mode im Vergleich mit dem symmetrischen Typ gemäß den Figuren 3 und 7 reduziert und getrennt, und die Resonanzstelle steigt an. Infolgedessen wird die Frequenzcharakteristik im wesentlichen abgeflacht bzw. geglättet. Ein Lautsprecher, der unter Verwendung eines Wandlers der in Figur 11 gezeigten Form hergestellt worden war und bei dem das piezoelektrische Plättchen 1 und die metallische Platte 2 einen Radius von 25 mm und eine Dicke von 0,1 mm hatten, wobei weiterhin W den Wert von 20 mm, 1 den Wert von 13 mm und W den Wert von 10 mm hatten, wies eine Frequenzcharakteristik auf, wie sie in Figur 12 gezeigt ist.

Als Ergebnis der geschrumpften Vibrationsweise bzw. -mode, die in der in Figur 12 gezeigten Weise aufgetrennt war, wurde die Frequenzcharakteristik im Vergleich mit dem Fall der Figur 8, die eine Ausgangscharakteristik eines symmetrischen Wandlers zeigt, abgeflacht bzw. geglättet. · .

Nun soll die Form bezüglich der Mittelachse 0 in der asymmetrischen Betriebsweise bzw. Mode bzw. Ausführungsform asymmetrisch gemacht werden. Daher kann die Form des piezoelektrischen Plättchens 1 und der metallischen Platte 2 je unabhängig asymmetrisch bezüglich der Mittelachse 0 gemacht werden, oder es kann eine ähnliche Wirkung wie in Figur 2 2 dadurch erhalten werden, daß man eine feste Position des piezoelektrischen Plättchens außerhalb der Mittelachse 0 vorsieht.

Als nächstes sei ein Betriebsbeispiel eines Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf einen piezoelektrischen Lautsprecher beschrieben, wie er in Figur 2 gezeigt ist, und zwar unter Verwendung des in Figur 13 dargestellten Wandlers. Die Figur 14 repräsentiert die Ausgangscharakteristik des Lautsprechers, wobei das Schalldruckniveau

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angegeben ist, das an einer Stelle gemessen wurde, die 10 cm vor dem Lautsprecher auf der vorderen Achse desselben lag, während eine Wechselstromeingangsspannung von 1 Volt Effektivwert angelegt worden war.
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Die dargestellte Ausführungsform weist ein halbkreisförmiges piezoelektrisches Plättchen 1 auf, das aus einer piezoelektrischen Bleititanatzirkonatkeramik besteht und dessen Radius 25 mm beträgt, das eine Dicke von 0,1 mm hat und mit einer Silberelektrode 1a (nur auf einer Seite dargestellt) versehen ist, die auf beiden Seiten aufgebrannt war, und das weiterhin polarisiert ist; dieses Plättchen ist unter Verwendung eines Epoxyharzes auf einer halbkreisförmigen Phosphorbronzeplatte befestigt, die einen Radius von 33 mm und eine Dicke von 0,1 mm hat. Die effektive Länge 1 des Wandlers 3 beträgt 17 mm, und das piezoelektrische Plättchen 1 ist teilweise abgeschnitten, so daß es eine Längsabmessung von 18 mm hat. Die Breite W des befestigten Endes 5 beträgt 13 mm, das befestigte Ende der Metallplatte 2 ist teilweise zu einem Leitungsdraht 6 verlängert, und ein Leitungsdraht 6¹ ist auf dem piezoelektrischen Plättchen 1 aufgelötet.

Für den Lautsprecherrahmen und den Dichtring wurde Acrylonitrilstyrolbutadiencopolymerharz verwendet, und der Rahmen hat einen Außendurchmesser von 40 mm und eine Höhe von 3,5 mm. Die Konusmembran hat einen effektiven Durchmesser von 35 mm, wobei ein 100 /um Polyimidfilm thermisch darauf bzw. dazu gepreßt bzw. formgepreßt wurde, er hat eine Höhe von 1,9 mm und besitzt zwölf Verstärkungsrippen, die 1,2 mm breit und 0,5 mm hoch sind.

Das befestigte Ende des Wandlers ist auf seiner Oberseite mit Epoxyharz am Rahmen befestigt, und außerdem wurde Epoxyharz zum Befestigen der Komismembran und des Dichtrings verwendet. Ein Loch von 1 mm Durchmesser ist im oberen Ende der Konusmem-

bran 9 ausgebildet, und Epoxyharz wurde von dem oberen Ende herabfallen gelassen, um die Membran auf dem Wandler zu befestigen.

Der erhaltene Lautsprecher ist so leistungsfähig, daß ein
en l ■.·'■] ι I mi Aim'imi'l l>>*.w. ein ι o'lcuui.il. i ve ι Auyjninj lu't etwa
300 KHz oder darüber erhalten wurde (Figur 14), und er wiegt nur 2,9 g, was etwa ein Drittel leichter als das Gewicht eines konventionollen dynamischen Lautsprechers ist.
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Leerseite

Claims

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PATENTANWÄLTE

UND ZUSELASSENE VERTRETER VOR DEM EUROPÄISCHEN PATENTAMT

DR. WALTER KRAUS D I PLO M C H EM I KER · D R.-1 N G. AN N EKÄTE WEISERT DIPL.-ING. FACHRICHTUNG CHEMIE IRMGARDSTRASSE15 · D-BOOO M Ü N C H EN 71 · TELEF=ON 0 8 9/79 70 77-79 70 78 · TELEX O5-2121S6 kpatd

TELEGRAMM KRAUSPATENT

3102/3 JS/an

SUMITOMO SPECIAL METAL COMPANY LIMITED Osaka, Japan

Piezoelektrischer Wandler

PATENTANSPRÜCHE

Piezoelektrischer Wandler zum Antreiben eines tonerzeugenden Elements in einem piezoelektrischen Lautsprecher, wobei der piezoelektrische Wandler eine metallische Platte und wenigstens ein piezoelektrisches Plättchen aufweist, das mit wenigstens einer Seite der metallischen Platte verbunden ist, wobei ein erstes Ende des piezoelektrischen Wandlers fest mit dem Rahmen des piezoelektrischen Lautsprechers und ein zweites Ende mit dem tonerzeugenden Element verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler so geformt und bemessen ist, daß die Breite (W ) des piezoelektrischen Wandlers an seinem ersten Ende gleich oder kleiner als die Breite (W) an seinem zweiten Ende ist, und daß das Verhältnis der Breite (W) zur effektiven Länge (1) des piezoelektrischen Wandlers zwischen O₇75 und 3 beträgtο
2. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch

gekenn zei chne t , daß das Verhältnis der Breite

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(W) zur effektiven Länge (1) zwischen 1 und 2,75 beträgt, und daß das Verhältnis der Breite (Wq) am ersten Ende zur Breite (W) am zweiten Ende zwischen 0,2 bis 0,8 liegt.
3. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch

gekennzeichnet , daß das Verhältnis der Breite (W) zur effektiven Länge (1) zwischen 1,5 und 2,5 beträgt, und daß das Verhältnis der Breite (W ) am ersten Ende zur Breite (W) am zweiten Ende zwischen 0,3 und 0,6 liegt. -
4. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler so geformt ist, daß er bezüglich einer durch ihn hindurch gehenden gedachten Längsmittellinie (0) asymmetrisch ist.
5. Piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Platte (2) und jedes piezoelektrische Plättchen (1,V) polygonal in ihrer Form sind.
6. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Ecken der polygonal geformten metallischen Platte (2) und des piezoelektrischen Plättchens (1) oder der piezoelektrischen Plättchen (1,V) gerundet sind.
7. Piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die metallische Platte (2) in ihrer Form polygonal ist und gerundete Ecken hat, während jedes piezoelektrische Plättchen (1, V) scheibenförmig, insbesondere kreisscheibenförmig, ist.
8. Piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche bis 4, dadurch ge kenn zeichne t , daß die metallische Platte (2) in ihrer Form halbkreisförmig ist, und daß jedes piezoelektrische Plättchen (1,V) in seiner Form halbkreisförmig ist.

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9. Piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1

bis 1, insbesondere nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet^ daß die metallische Platte (2) wenigstens einen Vorsprung (2^g,2"„2"") aufweist, der sich von ihrem zweiten Ende weg erstreckt.
10. Piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1

bis 9, dadurch gekennzei chnet , daß zwei piezoelektrische Plättchen (1,,V) vorgesehen sind, die jeweils mit entgegengesetzten Seiten der metallischen Platte (2) verbunden sind bzw. von denen je eines mit je einer der beiden entgegengesetzten Seiten der metallischen Platte (2) verbunden ist.