DE3510508A1

DE3510508A1 - Taktiles hoergeraet

Info

Publication number: DE3510508A1
Application number: DE19853510508
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. 8028 Taufkirchen Leysieffer; Eberhard Prof. Dr.-Ing. 8021 Icking Zwicker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-03-22
Filing date: 1985-03-22
Publication date: 1986-10-02
Also published as: US4791620A

Description

Die Erfindung betrifft taktile Hörgeräte nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Geräte sind etwa aus der US-PS 41 39 742 bekannt.

Bei taktilen Hörgeräten werden bekanntlich Mitteilungen, hauptsächlich akustische, insbesondere Sprachinformationen, in elektrische Signale umgesetzt, die dann durch mechanische Reizung der Hautoberfläche, also dem Tastsinn, übermittelt werden. Mit dieser Hörhilfe können Mitteilungen auch dann noch überbracht werden, wenn sie sonst wegen lauter und unübersichtlicher Umgebung oder Hörschwäche nicht wahrgenommen werden könnten bzw. eine akustische Wahrnehmung wegen Taubheit unmöglich ist. Wie übliche Hörgeräte sollen auch diese Systeme möglichst unauffällig und ohne wesentliche Beeinträchtigung der Tätigkeiten des täglichen Lebens benutzt werden können. Dazu ist eine Anordnung notwendig, die leicht ist un klein und die beim Betrieb mit niedriger Leistungsaufnahme auskommt, damit sie mit transportablen Stromquellen, wie Batterien, betrieben werden kann. Nur so ist ein Gerät unabhängig vom Netz und kann unauffällig mitgeführt werden. Die Leistungsaufnahme sollte wenigstens auf die Dauer von 10 Stunden durch mobile Stromquellen, wie Batterien, aufrechterhalten werden können, ohne daß eine Unterbrechung erforderlich ist.

Es hat sich als günstig herausgestellt, insbesondere bei Hörhilfen für äußerst starke Minderungen des Hör-

Kn 2 Kof - 19.03.1985

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Vermögens, von der taktilen Übertragung Gebrauch zu machen. Gegenüber elektrokutanen Systemen wird unter anderem besseres Zeitauflösungsvermögen des Tastsinns und bessere Zeitinvarianz der Fühlschwellen erreicht. Bisher fehlen aber geeignete elektromechanische Wandler. Insbesondere bei mehrkanaligen, etwa aus der FR-PS 12 31 085 bekannten Geräten und Vokodersystemen scheiden solche elektromechanischen Wandler aus, weil sie zu groß und zu schwer sind. Mit den üblichen Elektromagneten, d.h. dem benutzten physikalischen Prinzip, können die Forderungen nach kleinem Volumen und geringem Gewicht nicht erfüllt werden.

Auch die in neueren, etwa aus der Veröffentlichung von

T. Jfukube ¹¹A cued tactual vocoder" in JFGP-JMJA Working Conference on Uses of Computers in Aiding the Disabled, Haifa 1981 bekannten Systemen verwendeten piezokeramischen Wandler, die nach dem Bimorph-Prinzip arbeitende Biegeschwinger enthalten, haben sich nicht durchgesetzt. Die zur Herstellung dieser Schwinger vorhandene Piezokeramik ist mechanisch sehr empfindlich. Sie muß daher ausreichend geschützt werden, wobei das notwendige Volumen über ein hinnehmbares Maß hinaus gesteigert werden muß.

Andererseits hat sich in zahlreichen Untersuchungen gezeigt, daß sich gerade die Hand für die Übertragung von Schallsignalen über mehrkanalige Systeme unter Verwendung von Vibrationen eignet. Die zerbrechlichen keramisehen Elemente sind aber gerade dabei besonders harten mechanischen Anforderungen ausgesetzt.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Hörgerät der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem piezoelektrische Wandler vorgesehen sind, die auch beim

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Einsatz an der Hand auftretende Beanspruchungen aushalten und bei ausreichender Wirksamkeit kleines Volumen und geringes Gewicht haben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstände der Unteransprüche .

Durch die erfindungsgemäße Benutzung, etwa in "Fortschritte der Akustik" DAGA 1976 (VDE Verlag, Berlin

1976) Seiten 81 bis 95 beschriebener,piezoelektrischer hochpolymerer Stoffe zum Aufbau eines Übertragers in einem taktilen Hörgerät wird eine leichte und kleine Ausbildung dieses Elementes erreicht. Außerdem sind diese Stoffe, wie etwa Polyvinylchlorid (PVC) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF),mechanisch sehr unempfindlich. Dies zeigt sich insbesondere bei Polyvinylidenfluorid (PVDF), für dessen Verwendung sich unter den erfindungsgemäßen Bedingungen folgende Eigenschaften als günstig herausgestellt haben:

a) Kleine Abmessungen:

Elektrodynamische Systeme, die kommerziell erhältlich sind, variieren im Gesamtvolumen von 8 bis 30 cm . Sie sind daher besonders für mehrkanalige Vibrator-Arrays wenig geeignet, da ein unauffälliges Tragen unter der Kleidung kaum möglich ist. Die PVDF-Wandler sind in den Abmessungen (Breite und Radius eines Ringes) sehr anpassungsfähig und können unterschiedlichen Vorgaben, z.B. Gerät für Erwachsene oder für Kinder, gut angepaßt werden.

Versuche zum Schutz der Wandler durch Ummantelung mit einem mechanisch und chemisch abdeckenden Stoff, wie Silikonkautschuk, zeigten, daß schon dünne

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Schichten ausreichenden Schutz bieten. Die Gesamtdicke kann auf 1,5 mm beschränkt werden und das

■χ maximale Volumen der Wandler kann so unter 1 cm gehalten werden. Es ist damit noch kleiner als dasjenige von piezokeramischen Wandlersystemen.

b) Geringes Gewicht:

Die günstigen Eigenschaften werden schon bei PVDF-Wandlern erreicht, deren Gesamtgewicht unter 2 g liegt. Erfindungsgemäße Wandler sind daher prädestiniert für den Einsatz als Reizgeber bei Hörhilfen für Kinder. Die geforderte Begrenzung auf eine maxiamle Masse von etwa 15 bis 20 g wird mit der erfindungsgemäßen Anordnung weit unterschritten.

Mehrkanalige Systeme sind daher unter dem Aspekt der Gewichtsbelastung des Benutzers unbedenklich.

c) Hoher Wirkungsgrad:

Hohe Leistungsaufnahme üblicher elektromechanischer Reizgeber macht ihre Anwendung in üblichen Hörhilfen problematisch, weil die benötigten Stromquellen zu schwer werden. Ein Betrieb mit Batterien sollte über mehrere, etwa 10, Stunden möglich sein. Das große Volumen und Gewicht selbst modernster Akkumulatoren ergeben eine Anordnung, die für einen Benutzer zu wenig beweglich ist.

Obwohl der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen PVDF-Wandler unter 1 %o liegt, beträgt die Leistungsaufnähme an der Fühlschwelle durch die Wahl eines hochempfindlichen Reizortes nur etwa 0,1 mW. Sie erreicht bei einer Anregung 20 dB über der Fühlschwelle 10mW; dieser Wert liegt in der gleichen Größenordnung wie der, den man bei optimierten elektrokutanen Geräten bei gleicher Empfindungsstärke ermittelt hat (ca.

6 mW). Versuche mit einem elektrodynamischen Vibrator

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des Systems "Fonator" zeigen, daß dieser kommerziell eingesetzte Reizgeber in der Leistungsaufnahme um annähernd 15 dB über den beschriebenen PVDF-Wandlern liegt. Ein piezokeramischer Resonanzwandler für den Betrieb in der Unterarmregion nimmt an der Schwelle 1,25 mW auf und ist somit um 11 dB schlechter als die PVDF-Reizgeber. Der an sich geringe Wirkungsgrad der PVDF-Elemente spielt daher eine untergeordnete Rolle.

d) Günstiges Übertragungsverhalten im Frequenzbereich: Diese Anforderung ist sehr vom Konzept des Übertragungssystems abhängig. Da die Kurven gleicher Empfindungsstärke annähernd durch Parallelverschiebung aus dem Verlauf der Fühlschwelle (vgl. Figur 4) hervorgehen, müssen bei frequenzmodulierten Systemen entsprechende Entzerrungsnetzwerke vorgesehen werden, in die der Frequenzgang der Wandler mit einbezogen werden kann. Da beim Tastsinn wie beim Gehör die Empfindungsstärke über ein Potenzgesetz aus der Intensität des physikalischen Reizes gebildet wird und diese bei mechanischer Anregung dem Schnellequadrat proportional ist, müssen bei z.B. linearer Abbildung der Auslenkung auf die Empfindungsstärke ebenfalls Frequenzgangkorrekturen vorgenommen werden. Die PVDF-Wandler weisen unter Hautlast einen monotonen Frequenzgang der Auslenkung ohne Resonanzen auf (vgl. Figur 26) und können daher mit geringem schaltungstechnischem Aufwand an das geforderte Übertragungsziel (Rhythmus, Tonhöhe etc.) angepaßt werden. Bei breitbandigen Übertragungssystemen ist jedoch der zur Verfügung stehende Dynamikbereich durch die Bandpaßcharakteristik der Fühlschwelle und der Kurven gleicher Empfindungsstärke eingeschränkt, wenn eine frequenzunabhängige maximale Wandlerbetriebsspannung angenommen wird.

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e) Unterdrückung der Schallabstrahlung des Wandlers: Um das Umfeld des Benutzers einer taktilen Hörhilfe nicht zu stören, ist es unerwünscht, daß Reizgeber im hörbaren Frequenz- und Dynamikbereich Schall abstrahlen. Diese bei elektrodynamisehen Vibrator-Arrays problematische Erscheinung wurde bei keinem Betriebszustand der erfindungsgemäß aufgebauten PVDF-Wandler beobachtet.

f) Unempfindlichkeit gegen statischen Auflagedruck:

Zur Kontaktierung liegen die Wandler unter leichter mechanischer Spannung auf der Hautoberfläche auf. Eine Beeinträchtigung der Wirkung ist dabei aber nicht zu verzeichnen. Eine Verminderung des Dynamikbereiches trat auch nicht auf, wenn die Vorspannung zusätzlich vergrößert wurde.

g) Niedrige Verzerrung:

Diese Anforderung spielt wegen der Bandpaßcharakteristik der Kurven gleicher Empfindungsstärke ebenfalls eine unbedeutende Rolle. Bei Systemen, die vorwiegend im tieffrequenten Bereich (30 Hz ^ f ^ 100 Hz) arbeiten, können allerdings bei hohen Wandlerklirrfaktoren fühlbare Verzerrungsprodukte auftreten. Bei den PVDF-Wandlern liegen alle höheren Harmonischen durch die hohe Klirrdämpfung (>50 dB bei maximalem Pegel) deutlich unter der Fühlschwelle.

h) Großer Dynamikbereich:

Die Vorversuche mit einer Silikonkautschukummantelung der Wandler zeigen, daß der zur Verfügung stehende Dynamikbereich dadurch voraussichtlich um nur 6 bis 8 dB reduziert wird. Bei Verfahren, die Sprachinformation über eine Amplitudenmodulation eines sinusförmigen 200 Hz-Trägers übertragen, sind daher

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nur geringe Kompressionsfaktoren der Hüllkurvendynamik des Sprachsignals erforderlich.

i) Geringe Langzeitbelastung des Benutzers: Psychologische und kosmetische Aspekte bestimmen in nicht unerheblichem Maße den Einsatz jeder Prothese. Auch bei einem PVDF-Wandler kann es zwar noch als lästig empfunden werden, daß beim Einsatz eines mehrkanaligen Systems an einer Hand die Bewegungsfreiheit dieser Hand eingeschränkt wird. Bei einkanaliger Übertragung dürfte dies aber kaum mehr ins Gewicht fallen, da der Wandler ähnlich wie ein Fingerring unauffällig getragen werden kann. Die niedrige Leistungsaufnahme und grazile Bauweise der PVDF-Reizgeber reduziert ein voluminöses und schweres Verarbeitungssystem auf ein kleines, leicht tragbares Gerät, das über viele Stunden betrieben werden kann. Es ist zu erwarten, daß ein mit diesen Wandlern ausgestattetes System von mehr Gehörlosen akzeptiert und benutzt wird als die derzeit zur Verfügung stehenden großen und schweren Geräte.

j) Betriebssicherheit:

Langzeitversuche zeigen, daß PVDF bei den Bedingungen der Anwendung in Vibrationswandlern sehr beständig ist. Seine Eigenschaften ändern sich im Laufe der Zeit nur sehr wenig oder gar nicht, solange große Temperaturschwankungen vermieden werden (unter < 25⁰C und über > + 80⁰C). Silikonkautschuk kann voraussichtlich ein geeignetes Ummantelungsmaterial sein, das Säuren des Hautschweißes von der Filmmetallisierung fernhält. Polyvinylidenfluorid ist gegen sehr viele Säuren und Laugen resistent; sonstige, bei der Verwendung in Wandlern von taktilen Hörprothesen wesentlich negative Einflüsse auf PVDF sind zur Zeit nicht bekannt.

- r- VPA 85 P85 0 6DE

Versuche zeigten, daß kommerziell erhältliches PVDF als Basis für elektromechanische Wandler zur Anregung an den Fingergliedern der menschlichen Hand geeignet ist. Die Behinderung, daß durch den Einsatz derartiger Wandler die Bewegungsfreiheit einer Hand nicht mehr ganz frei ist, wird durch den wesentlichen Vorzug des kleineren Volumens und Gewichtes sowie der geringen Leistungsaufnahme der Reizgeber deutlich gemindert. Die Verwendung der Wandler in mehrkanaligen Systemen wird so auch bei tauben Kleinkindern denkbar, die auf keinen Fall durch schwere und voluminöse Geräte zusätzlich zu ihrer Behinderung belastet werden dürfen. Auch die Fühlschwellenversuche, die ergaben, daß die Vibrationsempfindung der neuen Übertrager örtlich auf das jeweils angeregte Fingerglied beschränkt bleibt, zeigen an, daß der Einsatz dieser Wandler auch bei etwa aus der FR-PS 12 31 085 bekannten mehrkanaligen Vibratorsystemen vorteilhaft ist. Die PVDF-Reizgeber sind andererseits auch bei einkanaligen Verfahren zur Übertragung der Sprachgrundfrequenz und einfacher Merkmale, wie Satzbetonung und Rhythmus, sehr gut geeignet, die wesentliche Zusatzinformation beim Lippenablesen liefern.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sowie Erkenntnisse, die zur Erfindung führten, werden nachfolgend anhand der Figuren und der dazu dargestellten, vorzugsweisen Ausbildungsformen weiter erläutert.

Allgemeine Figurenbeschreibung:
30

In Figur 1 ist eine Versuchsanordnung zur Ermittlung der Fühlschwellenspannung an einem einlagigen PVDF-Wiekel dargestellt,

VPA 85 P 8 5 0 6 DE

in Figur 2 die Amplitude U einer sinusförmigen Wechselspannung an der Fühlschwelle mit dem PVDF-Wickel nach Figur 1 über der Frequenz f (an den Meßpunkten ist jeweils durch eine vertikale Strecke die Schwan

kungsbreite der Meßweite eingetragen),

in Figur 3 eine Anordnung zur Messung der Fühlschwelle bei nicht begrenzter, großflächiger Hautanregung an einem Fingerglied,

in Figur 4 die mit der Anordnung nach Figur 3 ge-

messene Auslenkungsamplitude χ an der Fühlschwelle über der Frequenz f (mit Meßwertschwankungsbreite wie in Fig.2),

in Figur 5 eine einlagige Bimorphstruktur eines PVDF-Wandlers mit Trägerring,

in Figuren 6 bis 9 der Aufbau und die Kontaktierung

eines mehrkanaligen PVDF-Wandlers ohne Bimorphstruktur,

in Figur 10 die Amplitude U einer sinusförmigen Wechselspannung an der Fühlschwelle mit mehr

lagigen PVDF-Wandlern in Abhängigkeit von der Frequenz und der Lagenzahl n,

in Figur 11 die SpannungSamplitude U und aufgenommene Leistung P mehrlagiger PVDF-Wandler an

der Fühlschwelle bei f = 200 Hz in Abhängigkeit von der Lagenzahl n,

in Figur 12 die Anordnung eines oder mehrerer Wandler an einer Hand,

- 4β - VPA 85 P 8 5 0 6 DF

in Figuren 13 und 14 ein abgewandelter Aufbau eines mehrlagigen Faltenstapels,

in Figur 15 eine Anordnung zur Bestimmung der Langzeitstabilität der PVDF-Konstante d,₁,

in Figur 16 die Frequenzabhängigkeit der Konstante d,₁ (U₁ = 20 V),

in Figur 17 die LangzeitStabilität der Konstante d,₁

bei f = 200 Hz und U₁ = 160 V, die gemäß Figur 15 erreichbar ist,

in Figur 18 schematisch eine Anordnung zur Messung der mechanischen Hautimpedanz ohne Begrenzung

bei kleinen Anregungsflächen (Sg = 0,28cm ),

in Figur 19 die mechanische· Impedanz /Z / in Abhängigkeit von der Frequenz f, gemessen mit der Anordnung nach Figur 18 (mit wie in Figur

eingetragener Meßwertschwankungsbreite),

in Figur 20 ein mechanisches Ersatzschaltbild der in

„y.

Figur 19 dargestellten Impedanz /Z /; m„ = Stempelmasse,

in Figur 21 schematisch eine Anordnung zur Messung der

mechanischen Hautimpedanz ohne Begrenzung

bei großen Anregungsflächen (Sg = 2,8 cm ),

in Figur 22 die mechanische Hautimpedanz /Z / in Abhängigkeit von der Frequenz f, gemessen mit der Anordnung nach Figur 21 (die Meßwertschwankungsbreite ist wie in Figur 2 eingetragen),

VPA 85 P 8 5 0 6 DE

in Figur 23 eine Anordnung zur Messung der mechanischen Impedanz des Trägerringes bei einseitiger Einspannung,

in Figur 24 die mechanische Impedanz /Z/ des Trägerringes und eines 6-lagigen PVDF-Wandlers über der Frequenz f, gemessen mit der Anordnung nach Figur 23,

in Figur 25 Leerlaufauslenkung χ eines 12-lagigen

PVDF-Wandlers ohne Einspannung über der Frequenz f (Bezugswert χ willkürlich),

in Figur 26 die Auslenkung χ des Wandlers nach Figur 19 unter Hautlast (Zeigefingerwurzel

der rechten Hand) über der Frequenz f; dargestellt sind die Zentralwerte von vier Versuchspersonen, Bezugswert χ ,

in Figur 27 das elektrische Eingangssignal U an einem

12-lagigen PVDF-Wandler (U = 20 V) und

in Figur 28 die Auslenkung des Wandlers unter Hautlast (qualitative Messung).

Die Fühlschwelle für sinusförmige, senkrecht zur Hautoberfläche wirkende Deformationen ist neben anderen Parametern abhängig von der angeregten Fläche und der Körperregion. Grundsätzlich nimmt die Empfindlichkeit mit der Fläche und in distaler Richtung zu und erreicht an den Fingerspitzen ihr Maximum; in einem Vorversuch wurde daher die Amplitude einer sinusförmigen Wechselspannung in Abhängigkeit von der Frequenz ermittelt, die zum Erreichen der FüMschwelle an einen einlagigen PVDF-Wickel eines bandförmigen Films 1 an den auf die

VPA 85 P 8 5 0 6 OE

einander gegenüberliegenden großen Flächen liegenden, elektrisch leitfähigen Schichten 1.1 und 1.2 über Leitungen 1.3 und 1.4 angelegt werden muß. In Figur 1 ist die Anordnung schematisch dargestellt; ein 10 mm breites und 9/um dickes Band 1 aus PVDF wurde um die Wurzel des Zeigefingers 2 der rechten Hand gelegt und unter leichter mechanischer Spannung fixiert. Fünf erwachsene Versuchspersonen bestimmten damit ihre Fühlschwelle durch pendelndes Einregeln mit einem z.B. aus "Psychoakustik" E.Zwicker bekannten Bekesy-Audiometer.

Figur 2 zeigt in einem Diagramm die Zentralwerte und wahrscheinlichen Schwankungen der Ergebnisse. Die Kurve 3 fällt zunächst, wie durch die strichpunktierte Gerade 4 gezeichnet, mit annähernd 12 dB/Okt. Sie erreicht bei f = 200 Hz ein deutliches Minimum und steigt zu höheren Frequenzen wieder stark an. Die minimale

Spannung bei f = 200 Hz beträgt nur U = 6,5 V. Aus den piezoelektrischen Grundgleichungen 20

D₃ = E^ . E₃ + d₃₁ . T₁ (1a)

S₁ = d₃₁ . E₃ + S₁₁ ¹¹ . T₁ (1b)

ergibt sich ohne Einwirkung einer mechanischen Spannung T₁ (inverser Piezoeffekt) aus (1b)

S₁ = d₃₁ . E₃ (2)

wobei S₁ die Dehnung des Films in Längsrichtung (Index₁, "machine direction"), d₃₁ die piezoelektrische Konstante und E, die angelegte Feldstärke in Polarisationsrichtung (senkrecht zur Filmoberfläche) ist. Zur Berechnung der Hautauslenkung χ bei f = 200 Hz und U = 6,5 V ergibt sich aus (2)

	A d₃₁ . U . 1	VPi!	3510508
	2 . d		_L 85 P 8 5 0 6 DE
	r = Radiusänderung des	als	(3), wobei
	PVDF-Wickels		Kreis angenommenen
A X =	Fingerumfang (ca.	6 cm)
	Dicke des Films (9	/um)
1 =	= 20.10-^12m/^V und U=	6,5
d =	140 nm.		V ergibt sich
d^

Mit
10

Für eine vergleichende Fühlschwellenmessung wurde eine in Figur 3 schematisch dargestellte Versuchsanordnung verwendet. Zwei 10 mm breite, halbkreisförmige Federstahlteile 5 und 6 umschließen den Finger 7; die von einem Schwingerreger 8 und Impedanzmeßkopf 9 erzeugte sinusförmige, durch Doppelpfeile 10 und 10.1 angedeutete vertikale Auslenkung wird über schiefe Ebenen (45 ) 11 und 11.1 in horizontale Bewegungen der Halbringe 5 und 6 transformiert. Dadurch wird eine ähnliche Hautdeformation wie bei dem einfachen PVDF-Wickel (Figur 1) erreicht.

Mit dieser Anordnung wurden die Fühlschwellen von sechs Versuchspersonen ermittelt, indem der im Versuch durch pendelndes Einregeln eingestellte Beschleunigungswert (Meßsignal ILj des Impedanzmeßkopfes) durch zweifache Integration in die der Schwelle entsprechende Auslenkung χ umgerechnet wurde. Das korrekte Arbeiten der Bewegungstransformation konnte mittels eines induktiven Wegaufnehmers 15 durch berührungslose Wegmessung bestätigt werden (Figur 3). Die Hand der Versuchsperson berührte nur mit den Fingerspitzen und dem Handgelenk eine Auflageplatte 16; die Versuchspersonen saßen in

einem schall- und schwingungsisolierten Raum und waren über Kopfhörer mit bei 1 kHz tiefpaßbegrenztem Weißen Rauschen (L = 85 dB) vertäubt, um eine akustische Detektion der mechanischen Reize zu verhindern.

Die Kurve 17 des Fühlschwellenverlaufs in Figur 4 und die strichpunktierte Gerade 4.2 zeigen wie 3 und 4 in Figur 2 eine mit 12 dB/Okt. abfallende Flanke, ein Minimum bei geringfügig höheren Frequenzen als in Figur 2 und einen deutlichen Anstieg für Frequenzen über 300 Hz. Dieser Verlauf der Fühlschwelle ist an sich bekannt und entspricht der bei großen Reizflächen vom Reizort unabhängigen Schwellenkurve des Paccini'sehen Mechanoreceptorsystems.

Die bei f = 200 Hz gemessene Auslenkung χ = 130 nm stimmt mit dem aus der Gleichung (3) berechneten Wert χ ft* 140 nm sehr gut überein und bestätigt damit die Gültigkeit der Foliensimulation mit dem mechanisehen Modell aus Figur 3.

Aus diesen Feststellungen lassen sich folgende Aussagen ableiten:

a) Piezoelektrische Polymere sind prinzipiell als elektromechanische Wandler für taktile Reizgeber an der Hand geeignet; wird als maximale Spannung U = 100 V angesetzt, ergibt sich für PVDF ein verwertbarer Dynamikbereich Λ L = 20 Ig (100 V/6,5 V) dB = 24 dB bei der Bestfrequenz f = 200 Hz. Dieser Wert ist daher für eine Sprachsignalverarbeitung wenigstens zu erreichen.

b) Aus Gleichungen (2) und (3) ergibt sich,daß für eine maximale Längsverzerrung S^ die Dicke d einer Folie möglichst kleine Werte annehmen soll.

-as·- VPA 85 ρ 8 5 0 6 OE

c) Die Ähnlichkeit der Schwellenverläufe in Figuren 2 und 4 zeigt, daß mechanische Resonanzen im betrachteten Frequenzbereich nicht auftreten und daher bei einem PVDF-Wandler mit kurzen Einschwingzeiten gerechnet werden kann.

Ein einen vollständigen Ring bildender PVDF-Wickel wie in Figur 1 ist als Wandlergeometrie wenig geeignet, wenn dieser Reizgeber, den ein Schwerhöriger tragen soll, nicht abnehmbar ist, d.h. wenn er nicht elastisch abziehbar bzw. abwickelbar ist. Außerdem wird die sehr dünne Metallisierung, d.h. die elektrisch leitfähigen Schichten 1.1 und 1.2 des Films 1, aus welchem der Wickel besteht, von in den Ausscheidungen der Haut, wie etwa Schweiß, enthaltenen Säuren angegriffen.

Wird der Film 1 zum Schutz und zur Verfestigung auf einen Trägerring aufgebracht, erhöht sich die mechanische Impedanz der Last. Zur Erreichung einer ohne einen Träger erzielbaren Auslenkung χ müssen dann größere Kräfte aufgewandt werden. Als Materialien für den Trägerring sind solche anwendbar, die bei den geforderten Dimensionen hinreichend stabil sind und den Film sowie seine Elektroden nicht schädlich beeinflussen. Solche Eigenschäften weist etwa der unter dem Namen Delrin bekannte Polyacetal-Kunststoff auf, der Polyoxymethylen (POM) ist.

Ein Bimorphaufbau ist mit PVDF prinzipiell möglich, wobei die erzielte Kraft quadratisch mit der Anzahl der PVDF-Lagenzahl steigt. In Figur 5 ist eine Bimorphstruktur gezeigt, bei welcher an einem zu 3/4 geschlossenen Trägerring 20 innen und außen je eine Lage 21 und 22 aus PVDF angebracht ist. Durch die mit Pfeilen 23 angedeutete gleichgerichtete Filmpolarisation P und

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entgegengerichtete Feldstärke der an den Anschlüssen 24 und 25 angelegten Signalspannung wird erreicht, daß die Verzerrung S. der Lagen 21 und 22 des Filmes gegensinnig ist: Dehnt sich die äußere Lage 22 aus, zieht sich die innere Lage 21 zusammen, wodurch die gewünschte Verformung des Trägerringes 20 und damit der Hautoberfläche erzielt wird. Aus Figur 5 ist ersichtlich, daß der Bimorphaufbau symmetrisch zum Trägerring sein muß; werden beide Streifen auf einer Seite aufgebracht, kompensieren sich die erzeugten Kräfte. Dies wurde experimentell bestätigt. Gegen eine Bimorphstruktur sprechen aber folgende Gründe:

a) Das gleichmäßige Aufbringen mehrerer PVDF-Lagen 21 auf der Innenseite des Ringes 20 ist technisch sehr aufwendig.

b) Die notwendige doppelte Kontaktierung 26, 27 an der Innenseite und der Außenseite verringert die Betriebssicherheit.

c) Wird der Innenanschluß durch Umklappen der inneren Lage 21 auf die Oberseite des Ringes verlegt, erhöht sich die mechanische Gefährdung der Folie am Rand des Trägerringes 20 erheblich.

Ein Bimorphaufbau ist daher nicht vorzuziehen.

In Figuren 6 bis 9 ist eine einfach etwa an einen Finger anbringbare und wieder abnehmbare Wandlerstruktur dargestellt. Durch den in Figur 6 angedeuteten mehrfachen Wickel, d.h. einen Faltenstapel 1.6, auf der Oberseite des Trägerringes 20.6 wird eine mechanische Parallelschaltung der Einzellagen 30 bis 32 und damit eine Addition der auftretenden Kräfte erreicht. Gegen-

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über den bekannten Schichtsystemen ist aber eine Kontaktierung der beiden elektrisch leitfähigen Außenflächen des Bandes nötig (vgl. "J.Acoust.Soc.Im." Vol.70, No. 6 Dec. 1981, 16O5 und 1606). Die Abmessungen des Wandlers und die Art der Kontaktierung sind aus den Figuren 7 bis 9 ersichtlich.

Der Trägerring 20.6 ist 0,4 mm dick und 9 mm breit und besteht aus POM. Aus ihm ist zur Erzielung ausreichend fester Halterung und doch genügend einfacher Abnehmbarkeit ein Sektor 35 von 90° ausgeschnitten. Obwohl schon eine einfache Unterbrechung des Ringreifens ausreicht, um eine federnde Struktur zu erhalten, wird doch durch den 90°-Ausschnitt besonders für die Verwendung an Fingern eine Federwirkung erreicht, die dem Abnehmen und Anlegen des Wandlers besonders entgegenkommt. Durch entsprechende Wahl des Innenradius (hier etwa 9 mm für einen Finger) wird dabei außerdem ein schlüssiger mechanischer Kontakt zur Hautoberflache erhalten. Durch 0,5 mm breite und 0,3 mm hochgezogene Ränder 36, 37 (Figur 8) des Trägers 20.6 werden die kurzschlußgefährdeten Schnittkanten des Filmes, aus dem die Lagen 30 bis 32 bestehen, mechanisch geschützt (Figur 8). Außerdem ist der Wickel 1.6 mit einer Schicht 39 aus Silikonkautschuk nach außen geschützt.

Um eine durch Klebstofflagen zur Halterung der Lagen 30 bis 32 aneinander unvermeidliche Erhöhung der Impedanz so gering wie möglich zu halten, sollte die Dicke der Klebstoffschicht klein gegen die Dicke des Filmes sein (d = 9/um). Dies wird durch fast vollständiges Abwischen des Klebstoffes erreicht; so können Klebstoffschichtdicken < 0.3/um erzielt werden. Als geeigneter Klebstoff erwies sich ein 2-Komponenten-Kleber auf Epoxidharzbasis, der durch geringe Topfzeit eine rasche Herstel-

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lung mehrlagiger Wandler ermöglicht, der die an den einander zugewandten Flächen der Lagen 30 bis 32 als Elektroden angebrachte Metallisierung aus Aluminium nicht angreift und leicht dauerelastisch bleibt.

Die Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Schichten 38, mit denen das Band aus PVDF, aus dem die Lagen bis 32 bestehen, belegt ist, ist wegen der dünnen Schichten 38, die als Elektroden dienen, und ihrer unvermeidlichen Oxydschicht besonders bei Anwendung hoher Felder problematisch. Geringen Widerstand und große, über lange Zeit anhaltende Stabilität zeigte eine Kontaktierung mit Hilfe einer Kombination aus leitkleberbeschichteter, dünner Kupferfolie 40 und hochwertigem, bei Raumtemperatur aushärtendem 2-Komponenten-Silberleitkleber 41. Die Randbedingung niedriger Verarbeitungstemperaturen bei allen Schritten der Herstellung ist wichtig, da die Curie-Temperatur von PVDF bei 80° C liegt und darüber Depolarisationsprozesse einsetzen, die zu einer Verminderung der Piezokonstanten PVDF führen.

In den Figuren 8 und 9 ist die gewählte Kontaktierung dargestellt: Ein rechteckförmiges Stück (4 mm χ 7 mm) der Kupferfolie 40 und 40.1 ist an einem Ende des Trägerringes 20.6 aufgeklebt. Der Anschluß der Zuleitung 25.2 von der Anschlußstelle 25.1 dieser Folie 40 erfolgt durch eine Lötstelle 42 am Rand des Ringes. Nach Aufbringen einer geringen Menge Silberleitkleber 41 im Zentrum der Kupferfolie 40 wird der PVDF-FiIm 30 aufgeklebt. Die Kontaktierung der oberen Seite der Lage 30 des Stapels geschieht auf die gleiche Art. Die Isolation der beiden Kupferfolien 40 und 40.1 voneinander am Rand des Trägerringes 20.6 wird durch Einbringen von dünner Glimmerfolie 45 erreicht.

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Alle weiteren PVDF-Lagen werden schon vor der Kontaktierungs stelle gewendet, um eine Verdickung an dieser Stelle zu vermeiden. Aus Figur 7 ist ersichtlich, daß die Zurückfaltung schon vor Erreichen der Anschlußstel-Ie erfolgt. Die Gesamtdicke des Wandlers bleibt so bis zu 14 Lagen PVDF unter 1,2 mm. Dieses Maß wird ausschließlich von der Kontaktierungsstelle bestimmt. Ein 9/um starker Film aus biaxial gereckter PVDF-Folie erwies sich für diese Wandlerstruktur als besser geeignet als ein Film aus einer Folie, die monoaxial gereckt ist, der an den scharfen Knickstellen der Falten des Stapels 1.6 (Figur 7) oft Risse in der Metallisierung zeigte.

Mit einem Wandler dieser Struktur wurden mit vier Versuchspersonen Fühlschwellenmessungen (vgl. Figur 2) durchgeführt; Parameter war die Lagenzahl n. Die Ergebnisse sind in Figuren 10 und 11 in Diagrammen dargestellt. Die Zentralwerte sind in den Kurven 50 bis 55 aufgetragen. Der U-förmige Schwellenverlauf bleibt bei Variation von η = 6 bis η = 12 erhalten, ebenso die Steigungen der unteren und oberen Flanke. Bei f = 200Hz ergibt sich für η = 6 bereits eine niedrigere Schwelle (U# 5 V) als bei dem einfachen Wickel (Figuren 1/2). Bei steigender Lagenzahl sinkt die zum Erreichen der Fühlschwelle erforderliche Spannung U und beträgt im Minimum bei f = 200 Hz und η = 12 nur U_min {^1,6V (Figur 11). Bei größeren η (η = 14 ist in Figur 10 nicht eingezeichnet) steigt U. wieder an; die aufgenommene Leistung erreicht ihr Minimum bereits bei η = 10 und beträgt P £*55/uW. Bei η = 12 ist P geringfügig größer ( # 70/uW). Der Dynamikbereich erreicht bei η = 12 und der Bestfrequenz f = 200 Hz 36 dB (Figur 10), wenn als obere Grenze U= 100 V angesetzt wird und ist somit für eine Sprachsignalverarbeitung, bei der Information als zeitlich veränderliche Hüllkurve einer sinusförmigen

- 3© - VPA 85 P85 0 60E

Trägerschwingung (f_T = 200 Hz) übertragen wird, völlig ausreichend. Die Wandlerkapazität beträgt bei η = 12 C = 37 nF, das Gesamtgewicht liegt unter 2 g.

Zur Übertragung akustischer Signale in Form von Vibrationen kann ein aus den Figuren 6 und 7 dargestellter offener Ring an die Finger 2.1 bis 2.5 einer Hand angesteckt werden. Dabei kann es schon ausreichen, einen Wandler 46 an die Wurzel des Zeigefiners 2.4 anzulegen.

Es kann aber auch vorteilhaft sein, bei einem Gerät, das analog dem in der FR-PS 12 31 085 beschriebenen mehrkanalig aufgebaut ist, auch an den übrigen Fingern Wandler 46.1 bis 46.4 anzubringen. So kann ein in verschiedene Kanäle unterschiedlicher Frequenz aufgeteiltes Signal in entsprechend charakteristischer Verteilung auf die einzelnen Finger übertragen werden, um die Verständlichkeit zu verbessern.

Ein Faltenstapel 47 kann, wie in Figur 13 dargestellt, auch aus einem PVDF-FiIm erhalten werden, der die Form einer rechteckigen Folie hat, deren eine Seite so lang ist wie der Umfang des aus dem Stapel 47 zu biegenden Ringbogens und die parallel zu dieser Seite in der Breite des Stapels entsprechenden Abständen gefaltet ist. So wird ein Faltenstapel 47 erhalten, dessen Faltung quer zu demjenigen der Figuren 6 und 7 liegt. In elektrischer Hinsicht besteht völlige Übereinstimmung mit dem Stapel 1.6. Dies ist besonders in der Figur 13 durch die Kennzeichnung der im Stapel übereinander zu liegen kommenden Schichten 30.1, 31.1 und 32.1 angedeutet. An den Außenseiten dieser Schichten liegen dann die elektrisch leitfähigen Beschichtungen 38.1 und 38.2. Nach dem Zusammenschieben der in der Figur 13 dargestellten Faltung entsprechend den Pfeilen 39.1 und 39.2 wird ein in Figur 14 angedeuteter Falten-

-2A- VPA 85 P 8 5 O 6 DE

stapel 1.7 erhalten. Entsprechend den Ausbildungen nach Figuren 6 bis 9 kann dieser auf einen Trägerring entsprechend 20.6 aufgebracht und wie in Figur dargestellt kontaktiert werden.

Der große Dynamikbereich bleibt zeitlich stabil, wenn durch die bei U= 100 V auftretenden Feldstärken

Τ7ΤΓΤ

(E > 100 ~) keine Depolarisationsprozesse entstehen. Die Langzeitstabilität von d·*., wurde daher in einem Dauerversuch getestet. Eine geeignete Methode ist in Figur 15 schematisch dargestellt. Ein 10 mm breiter Streifen 60 PVDF wurde unter geringer mechanischer Spannung beidseitig in Halterungen 61 und 62 eingespannt. Auf einer Seite der Oberfläche wurde in der Mitte ein dünner Spalt 63 der Metallisierung 64 freigeätzt, während diejenige von gegenüber durchgehend blieb. Die so entstandenen Filmhälften wurden am Rand an den Stellen 65, 66 und 67, 68 kontaktiert. Aus der mechanischen Kopplung der Hälften, den Randbedingungen aus (1) und den Gleichungen (1a) und (1b) ergibt sich

mit

£"^T = £ . £ = 9,7 . 10~¹¹ F (Dielektrizitätskon-

m stante)

* = 2 . 10^y ζ-* (Elastizitätsmodul)

- -es - VPA 85 P 8 5 0 6 DE

In Figur 16 ist der mit dieser Anordnung gemessene Verlauf in der Kurve 73 der Konstante d,^ über der Frequenz bei U₁ = 20 V in einem Diagramm dargestellt. Bei

1 ? f = 1 kHz beträgt cU* = 6,5 . 10 V/m und stimmt gut mit der Firmenangabe (d^ = 7 ... 8.10" V/m) überein. Zu tiefen Frequenzen nimmt d,^ leicht ab, kann aber im interessierenden Bereich 50 Hz < f < 500 Hz als konstant angenommen werden. Die Langzeitstabilität wurde mit einem sinusförmigen (f = 200 Hz)und gleichstromfreien Wechselfeld der Stärke E* = 180 KV/cm (U = 160 V) untersucht. Diese Feldstärke entspricht ungefähr 10 % der Polarisierungsfeldstärke vom PVDF-FiIm. Eine Änderung der Konstanten d-z^ trat in einem Zeitraum von 1200 Stunden nicht ein,wie aus dem horizontalen Verlauf der Linie 74 in Figur 17 hervorgeht. Die Wandlerdynamik kann daher als zeitinvariant ange-

nommen werden, selbst wenn Spannungen weit über U = 100 V bei mittleren Frequenzen angelegt werden.

Zur Prüfung der Belastbarkeit der beschriebenen Kontaktierung wurde die linke Folienhälfte der Anordnung in Figur 15 bei f = 8 kHz tiefpaßbegrenztes Weißes Rauschen im gaußförmig gepulsten Betrieb (t . = 500 ms,

β JLXl

t_Qlie = 500 ms, Anstiegs-Abfall-Zeitkonstante der Hüllkurve = 1 ms) angelegt. Die Feldstärke betrug E, = 120 KV/cm, der Strom J₁ (Figur 12) war mit ca. 6 mA um den Faktor 3 grö.ßer als der Wert, der bei einem 12-lagigen Wandler bei f = 200 Hz und E, = 110 KV/cm (U = 100 V) erreicht wird. Nach 1000 Stunden Versuchsdauer konnte bei keinem Parameter eine Veränderung gemessen werden. Der Übergangswiderstand R_K der Kontaktierung lag bei allen Proben bei R_K - 3 0hm; die dadurch entstehende Verlustleistung P_R in der Kontaktierung beträgt P_K = 12/uW bei J₁ = 2 mA und ist vernachlässigbar gegen die Gesamtleistungsaufnahme P. . eines

	Wandlers (	-J23 -	*	.	85	351	05 08
	f = 200 Hz.	P_K 4 .	VPA	^Ptot^	P8506	OE
12-lagigen			10"⁵ .		bei U =
100 V und

In einer weiteren Versuchsreihe wurde die Anpassung des 12-lagigen Wandlers an das Medium Hautoberfläche geprüft. Über die dazu erforderliche Bestimmung der mechanischen Hautimpedanz Z„ ist nur wenig aus der Literatur bekannt. Allgemein ist Z__H abhängig vom Meßort, dem Auflagedruck, der angeregten Oberfläche und der Art der Flächenbegrenzung. Außerdem läßt sich eine Dispersion der Wellengeschwindigkeit nachweisen. Wird für die Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Hautoberfläche Ctt ei 5 m/s bei f = 200 Hz und die Dichte

3 3
& 10 kg/m angesetzt, ergibt sich für den

Ή
H^HH _m.

H
Wellenwiderstand Z

Für PVDF beträgt Z_pVDF = 3,9 χ 10⁶ ^m

Daraus folgt ein Reflexionsfaktor

_r - PVDF H ^s _Q qq₇ ^PVDF ^+ώΗ

für den einlagigen PVDF-Wickel nach Figur 11. Dieser große Reflexionsfaktor (r & 1) läßt einen sehr geringen Wirkungsgrad des Wandlers erwarten (zum Vergleich: r = 0,44 bei Übergang in Wasser).

Die Meßergebnisse einer mechanischen Impedanz /Z / bei

kleinen Stempelflächen (S = 0,28 cm ) ohne äußere Begrenzung der Hautoberfläche (schematisch in Figur 18 skizziert) sind in Figur 19 in einem Diagramm mit der Kurve 77 dargestellt. Reizort war die Unterseite der Zeigefingerwurzel 2.5 der rechten Hand, an die ein

VPA 85 P85 0 6DE

Stempel 75 angesetzt ist. Eingezeichnet sind in Figur 19 Zentralwerte und wahrscheinliche Schwankungsbereiche, die von sechs Versuchspersonen bestimmt wurden. Im Bereich 20 Hz bis 80 Hz fällt /Z*/ mit 6 dB/Okt., erreicht bei f = 100 Hz ein eindeutiges Minimum und steigt zu höheren Frequenzen mit 6 dB/Okt. an (die exakten Steigungen ^ /f bzw. *» f sind mit den Linien 78 und 79 gestrichelt eingezeichnet). Ein mechanischer Parallelschwingkreis mit den Elementen Hautreibwiderstand W^, Hautmasse πίττ und Hautsteifigkeit s„ beschreibt diesen Frequenzgang exakt (Figur 20). Als Parallelelement muß noch die Stempelmasse m_ berücksichtigt werden. In komplexer Schreibweise ergibt sich für die Schaltung in Figur 20:

Z* = ^¥H ⁺ ^ ^mH ⁺ JZT ⁺ ^J * ⁰^ * ^ms

Daraus und aus Figur 19 lassen sich die Einzelelemente zu
W_H = 0,65 gä

m_H = 0,37 . 10"³ kg

s_H . 330 Μ

berechnen.

Vergleichsmessungen an der Innenseite des Unterarmes ergaben bei kreisförmiger Flächenbegrenzung (Stt = 0,64cm ): 30

W - 0 2 ^
^WH " ^u'^d m

m_H = 0,25 . 10~³ kg
s_H ο 200 g .

■ '3S105DB

85 P85 0 6DE

Die mechanische Hautimpedanz läßt sich auch in diesem Fall der örtlichen Begrenzung eines Hautareals (Sri-^ 1 cm ) durch einen gedämpften mechanischen Parallelschwingkreis sehr gut annähern. 5

Um die großflächige, nicht flächenbegrenzte Anregung durch die PVDF-Wandler zu simulieren, wurde eine halbringförmige, starre Geometrie eines Stempels 80 gewählt

(Figur 21, So = 2,8 cm ). Die mechanische Hautimpedanz /Zr₁/ zeigt nach Eliminierung der Stempelmasse m_a den

"—rl S

in Figur 22 mit 85 dargestellten Verlauf. Meßort war wieder die Unterseite der Zeigefingerwurzel 2.8 der

J£,

rechten Hand. /Z__H/ ist für Frequenzen unter 200 Hz annähernd konstant und beträgt /Z„/ & 4 Ns/m; oberhalb f = 200 Hz fällt /Z*/ mit 6 dB/Okt. entsprechend einer Steifigkeit s„ = 5400 N/m. Der frequenzunabhängige Verlauf für f - 200 Hz entspricht einem Reibwiderstand Wtt £2 4 Ns/m. Die mechanische Hautimpedanz unterscheidet sich somit bei großflächiger Anregung (S> 2,5 cm ) deutlich von der bei Flächenbegrenzung

oder kleinen Anregungsflächen (S< 0,5 cm ) gemessenen

jt

Impedanz. Der Frequenzgang von /Ζττ/ in Figur 22 deutet auf einen stark gedämpften mechanischen Serienschwing-

kreis hin. Bei Messungen am Oberschenkel (Stt = 5,3 cm , nicht flächenbegrenzt) erhält man für /Zu/ Werte von 1 4 Ns/m im Bereich 100 Hz ... 300 Hz, diese Beträge stimmen mit den eigenen Messungen (Figur 22) gut überein. Ein geschlossener analytischer Ausdruck für j£

/Ζττ/ läßt sich daraus allerdings nicht ableiten.

Die mechanische Impedanz des Trägerringes 20.9 bei einseitiger Einspannung am Stempel 90 nach Figur 23 ist in Figur 24 in einem Diagramm dargestellt (durchgezogene Kurve 95). Aus dem Frequenzgang ergibt sich dasselbe mechanische Ersatzschaltbild (Figur 20) wie bei

' "~ 35105D8

- «6 - VPA 85 P85 0 60E

kleinflächiger Hautanregung; die Elemente effektive Ringmasse m_R, effektive Steifigkeit So und der Reibwiderstand W„ berechnen sich zu

m_R = 0,11 . 10~³ kg

R m

^¥R = °'²³ ¥
10

und liegen in der gleichen Größenordnung wie die Elemente der mechanischen Hautimpedanz bei kleinflächiger oder flächenbegrenzter Anregung. Nach Aufbringen von sechs Lagen PVDF auf den Trägerring erhöhen sich die Elementwerte auf (punktierte Kurve 96 in Figur 24)

n£ = 0,18 . 10~³ kg

s' = 2200 §
κ m

<k - °·π ¥■

Am stärksten macht sich die Steifigkeitserhöhung bemerkbar; die Resonanzfrequenz verschiebt sich von f = 230Hz auf f = 330 Hz. Wird von diesen Daten auf einen 12-lagigen Wandler extrapoliert, liegen die Beträge der mechanischen Impedanzen des Wandlerringes und der Hautoberfläche in der gleichen Größenordnung (vgl. Figur 22). 30

Wird für f = 200 Hz von der Impedanz /Z_H/« 4 Ns/m für großflächige Hautanregung ausgegangen, ergibt sich für den Wandlerwirkungsgrad A/ des Einzelfolienwickels nach Figur 1

j. ₌ Jmech_ _{= 48 10}-4^_0>5 _%Q

VPA 85 P 8 5 0 6 DE

mit

P - x² 4 Tf ² f²
^Fmech " ^x · ^ · /' · ¹ ·

wobei χ = Auslenkungseffektivwert an der Fühlschwelle. Unter denselben Randbedingungen erhält man für den Wirkungsgrad des 12-lagigen PVDF-Wandlers

= 3,8 . 10~⁴~ί 0,4 96ο.
Aus der geringen Differenz zwischen J{ und ^{ folgt, daß der wie erwartet niedrige Wirkungsgrad hauptsächlich auf den großen Wellenwiderstandssprung beim Übergang von PVDF zur Hautoberfläche zurückzuführen ist und der Trägerring keine zusätzliche Fehlanpassung darstellt; dies wird von der Abschätzung des mechanischen Impedanzniveaus bestätigt.

An dem 12-lagigen PVDF-Wandler wurde die Auslenkung im Leerlauf und unter Hautlast qualitativ gemessen; Meßsensor war eine Lage auf der Trägerringinnenseite aufgeklebter PVDF-Folie, mit der die Verzerrung S* und damit die Auslenkungskomponente senkrecht zur Hautoberfläche gemessen wurde. Der Frequenzgang der Auslenkung im Leerlauf ist in Figur 25 in einem Diagramm mit der Kurve 97 dargestellt. Die Auslenkung bleibt im betrachteten Frequenzbereich nahezu konstant; die mechanische Resonanzfrequenz liegt jetzt bei f = 209 Hz. Die zusätzliche Resonanz bei f = 170 Hz ist auf die mechanische Impedanz der Anschlußleitungen zurückzuführen. Der Rückgang von f von über 300 Hz auf etwa 200 Hz wird durch die starke Abnahme der effektiv wirksamen Steifigkeit bei freiem Schwingen des Wandlers erklärt (vgl. Figur 24).

VPA 85 P 8 5 0 S OE

In Figur 26 mit der Kurve 98 ist der Frequenzgang der Auslenkung χ unter Hautlast in einem Diagramm dargestellt (Zentralwerte von vier Versuchspersonen). Da eine absolute Messung nicht möglich war, wurden die Meßpunkte auf den Wert χ bei f = 200 Hz normiert. Die Messung erfolgte wie im Leerlauf (vgl. Figur 25) bei Spannungseinprägung auf die Anschlußklemmen des Wandlers. Die Spannung wurde so gewählt, daß sich bei f = 200 Hz ein Auslenkungspegel über Schwelle (SL) von 20 dB ergab.

Die Auslenkung steigt mit annähernd 3 dB/Okt. bis f = 300 Hz, bleibt zu höheren Frequenzen hin konstant und erreicht in diesem Bereich einen nur 12 dB niedrigeren Wert als im Leerlauf. Eine Resonanzüberhöhung ist unter Last nicht meßbar. Wird, wie in Figur 22, die mechanische Hautimpedanz für Frequenzen über 300 Hz zu

Λ Α

/Z* (f > 300 Hz)/ = ξ = —ρ = -

ν . χ

Λ _A

mit F: Kraftamplitude, v: Schnelleamplitude

angesetzt, folgt daraus, daß die Auslenkung χ in diesem Bereich frequenzunabhängig sein muß. Dies wird durch die in einer Kurve 98 aufgetragenen Werte einer Messung bestätigt (Figur 26). Die Abnahme der Auslenkung von 300 Hz zu tieferen Frequenzen kann durch einen einfachen Ansatz der mechanischen Hautimpedanz nicht erklärt werden. Auf die Entwicklung eines vollständigen mechanischen Ersatzschaltbildes der Hautimpedanz wurde daher verzichtet. Nichtlinearitäten der Hautimpedanz konnten bis zu einem Pegel von 40 dB über Schwelle nicht gemessen werden; dementsprechend ergab

.33-

- as - VPA 85 ρ 8 5 O 6 DE

eine Spektralanalyse des Meßfoliensignals bis zu Wandlereingangsspannungen U = 150 V im Bereich 50 Hz < f O000 Hz Klirrdämpfungen größer 55 dB unter Hautlast.

Aufgrund der sehr geringen Eigenmasse des Wandlers und der Dämpfung durch die Hautimpedanz ist die Einschwingzeit des Systems unter Hautlast vernachlässigbar gegen die Zeitkonstanten, die durch die zentralnervösen Verarbeitungsmechanismen des Tastsinns vorgegeben sind.

In Figur 27 ist die mit einer Meßfolienlage gemessene Auslenkung χ eines 12-lagigen Wandlers unter Hautlast mit der Kurve 100 in Figur 24 dargestellt. Wenn an den Wandler ein sinusförmiger Spannungsimpuls mit U = 20 V angelegt wird, ergibt sich gemäß Figur 28 die Kurve 101.

Der Spannungsverlauf wird unverfälscht in eine Deformation des Ringes und damit der Hautoberfläche umgesetzt. Pulsfolgefrequenzmodulationen, z.B. zur Übertragung der entsprechend kodierten Sprachgrundfrequenz, können daher mit dieser Art Reizgeber gut realisiert werden.

20 Patentansprüche
28 Figuren

Claims

- yf- VPA 85 P 8 5 0 6 DE

Patentansprüche

Taktiles Hörgerät, das für die Übertragung von Signalen einen elektromechanischen Wandler enthält, dessen Schwingkörper aus piezoelektrischem Material besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkörper aus piezoelektrischem hochpolymerem Stoff besteht und die Form eines Filmes hat, der beiderseits mit elektrisch leitfähigen Belägen versehen ist, zwischen welchen die zu übertragenden Signale angelegt werden können.

2. Taktiles Hörgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Film der Form des Körperteils angepaßt ist, an den er angelegt werden soll.

3. Taktiles Hörgerät nach Anspruch 2, dadurch ^v> gekennzeichnet , daß der Film zu einem )

Ring gebogen ist. '·

4. Taktiles Hörgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Film in dem Ring einen Faltenstapel eines Bandes bildet, bei dem die an den Außenflächen des Bandes liegenden, elektrisch leitfähigen Beläge gleicher Polung aneinanderliegen.

5. Taktiles Hörgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Film die Form eines Bandes hat, das jeweils nach Erreichen der Länge des gewünschten Umfanges des Ringes nach außen zurückgefaltet ist.

VPA 85 P 8 5 0 6 DE

6. Taktiles Hörgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Film die Form einer rechteckigen Folie hat, deren eine Seite der Länge des Umfanges des Ringbogens entspricht und die parallel zu dieser Seite in der Breite des Stapels entsprechenden Abständen gefaltet ist.

7. Taktiles Hörgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Film aus PoIyvinylidenfluorid (PVDF) besteht.

8. Taktiles Hörgerät nach Anspruch 1, dadurch

■ gekennzeichnet , daß der Stapel auf die

Außenseite eines Trägerringes aufgebracht ist. 15

9. Taktiles Hörgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Träger aus Polyoxymethylen (POM) besteht.

10. Taktiles Hörgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Stapel und der Trägerring aufgebrochen sind.

11. Taktiles Hörgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbruch einen wenigstens angenähert 90° umfassenden Ausschnitt eines geschlossenen Ringes bildet.

12. Taktiles Hörgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Träger aus POM, der für ringförmige Wandler mit einer das Anstecken an einen Finger erlaubenden, im Mittel 9 mm betragenden lichten Weite bei hinreichender Stabilität und Elastizität mit einer Dicke von 0,4 mm und einer Basisbreite von 9 mm auskommt und seitlich auf je einer Breite von 0,5mm

- 52 - VPA 85 P 8 5 0 6 DE

etwa 0,3 mm hochgezogen ist bis zu einer Höhe, die der Dicke des Stapels wenigstens etwa entspricht, dabei aber zwischen den beiden Hochziehungen einen Raum frei läßt, der neben der Höhe auch der Breite des Stapels entspricht, wobei der Stapel aus einem Film besteht, der 9/um dick ist, beiderseits je eine elektrisch leitfähige Bedampfung aus Aluminium aufweist und in 6 bis

14. insbesondere 12, Lagen aufeinandergefaltet ist.

13. Taktiles Hörgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß bei einer Hörprothese mehrere Ringe, insbesondere für jeden Finger einer Hand einer, vorgesehen sind.

14. Taktiles Hörgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens der Stapel einen Schutzüberzug hat.

15. Taktiles Hörgerät nach Anspruch 14, dadurch > gekennzeichnet, daß der Schutzüberzug, * der wenigstens den Stapel abdeckt, aus Silikonkautschuk besteht.

16. Taktiles Hörgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Belegungen des Bandes aus je einer Kupferfolie besteht, die mit Leitkleber angeklebt ist.

17. Taktiles Hörgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß die Kupferfolie seitlich über das Band hinaussteht, welches an dieser Stelle über den Stapel vorsteht.

- 55- - VPA 85 P 8 5 O 6 DE

18. Taktiles Hörgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen den vorstehenden Teilen der Kupferfolie ein Glimmerplättchen liegt.

19. Taktiles Hörgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Lagen des Stapels mittels eines Klebstoffes zusammengeklebt sind.

20. Taktiles Hörgerät nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß der Klebstoff ein 2-Komponenten-Kleber auf Epoxidbasis ist.