DE3941749A1 - Piezoelektrischer, elektroakustischer wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Wandler mit ei­ nem im Randbereich eingespannten Träger sowie einem mit diesem verbundenen Wandlerelement.

Bekannte piezoelektrische Wandler enthalten als Wandlerelement meistens eine Wandlerplatte, die aus einer metallischen Träger­ platte besteht, auf der eine kleinere Piezokeramikscheibe auf­ geklebt ist.

Weiterhin sind piezoelektrische Wandler bekannt, bei welchen anstelle der Trägerplatte aus Metall eine Kunststoffolie ver­ wendet wird.

Je kleiner nun aus konstruktiven Gründen solche Wandlerplatten gewählt werden, um so größere Probleme gibt es aus physikali­ schen Gründen bei den Anforderungen bezüglich Frequenzgang und Empfindlichkeit der damit konzipierten Wandler, insbesondere bei Hör- und Sprechkapseln der Fernsprechtechnik.

Bei Verwendung einer hocheffektiven Piezokeramik zur Empfind­ lichkeitssteigerung bekommt man Probleme mit dem Temperatur­ gang der elektroakustischen Daten und mit Abpolarisiervorgän­ gen, wenn beispielsweise heißverklebt werden soll. Das hängt insbesondere damit zusammen, daß die Curie-Temperatur bei hoch­ effektiver Piezokeramik < 200°C beträgt im Gegensatz zur Stan­ dardkeramik mit Curie-Temperatur < 300°C.

Eine Empfindlichkeitssteigerung kann nun mit der bekannten Dreischichttechnik erreicht werden. Dabei ist eine Aluminium- Trägerplatte, welche im wesentlichen die Schwingungseigenschaf­ ten bestimmt, beidseitig mit je einer Piezokeramikscheibe ver­ sehen.

Die Festigkeit gegenüber elektrostatischen Spannungsüberschlä­ gen ist bei metallischen Trägerplatten sehr gering, wenn nicht besondere Maßnahmen wie das Einlegen einer Folie vor der Wand­ lerplatte oder eine Abstandsvergrößerung zur Schalldurchlaßöff­ nung getroffen werden.

Aufgabe der Erfindung ist eine hohe Empfindlichkeitssteigerung gegenüber bekannten Wandlern zu erzielen.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Wandlerelement aus zumindest zwei übereinander angeordneten je­ weils beidseitig mit Elektroden versehenen, polarisierten Kera­ mikscheiben besteht, wobei der Elastizitätsmodul und die Dichte des Trägers so gewählt sind, daß diese Werte wesentlich kleiner sind als der Elastizitätsmodul und die Dichte der Keramikschei­ ben, so daß der Träger bezüglich des Schwingungsverhaltens des Wandlers in erster Näherung vernachlässigbar ist.

Damit geht die Erfindung von einer piezoelektrischen Doppel­ schicht aus, wie sie beispielsweise durch die Zeitschrift Funk­ schau 1974, Heft 4, Seite 233 ff bekannt ist. Wie dem Bild 6 auf Seite 233 entnehmbar ist, ist ein sogenannter Bimorph- Streifen in seinem Randbereich fest eingespannt. Dieser Bereich ist naturgemäß äußerst bruchgefährdet, so daß diese Anordnung insbesondere in der Fernsprechtechnik, wo eine besonders hohe Betriebssicherheit gefordert wird, nicht zur Anwendung kommen kann.

Die Doppelkeramik führt nach der Erfindung ihre Schwingungen aus mit einer Randbedingung, die einem Fall zwischen "fester Randlagerung" und "am Rand frei gestützt" entspricht. Die soge­ nannte neutrale Schicht bleibt aber praktisch zwischen den bei­ den Piezokeramikscheiben, was für eine größtmögliche Empfind­ lichkeitssteigerung ausschlaggebend ist.

Von Vorteil ist es, wenn der Träger aus einem Kunststoff be­ steht. Der Kunststoffträger hat folgende Funktionen. Er ist Träger für die Keramikscheiben, wodurch eine bruchgefährdete Randlagerung vermieden wird. Weiterhin wird durch ihn eine hohe Festigkeit gegen Spannungsüberschläge erreicht. Soll das Wand­ lerelement in einer Sprechkapsel eingesetzt werden, so wird ei­ ne hohe Entkopplung gegenüber Körperschall erzielt. Durch ge­ eignete Wahl von Material, Dicke und Abstand zur Keramik können die Parameter für die Randbedingung beeinflußt werden, durch die das Schwingungsverhalten mitbestimmt wird.

Vorteilhaft ist es, wenn zwischen Einspannstelle des Trägers und dem Rand der Keramikscheiben ein von der Keramik freier Be­ reich vorhanden ist. Durch Variieren dieses Abstandes können die elektroakustischen Parameter geändert werden, um eine opti­ male Einstellung eines gewünschten Frequenzganges zu erzielen.

Normalerweise können die Keramikscheiben eine gleiche Dicke aufweisen. Es kann jedoch auch von Vorteil sein, wenn ihre Dicke unterschiedlich ist, um die neutrale Schicht exakt in die Trennebene der beiden Keramikscheiben zu legen.

Der Gegenstand der Erfindung ist nicht begrenzt auf zwei Kera­ mikscheiben. Die eingangs erwähnte Doppelschicht kann auch als Multimorph ausgebildet sein.

Im folgenden sei die Erfindung anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein zur Verwendung als Hörkapsel geeignetes Wandlerele­ ment im Schnitt und

Fig. 2 ein zur Verwendung als Sprechkapsel geeignetes Wandler­ element im Schnitt.

Die Wandlerelemente nach Fig. 1 und Fig. 2 bestehen aus einem Kunststoffträger 1, z. B. aus einer 125 µm dicken Polyesterfo­ lie. Der Kunststoffträger ist in seinem Randbereich zwischen Gehäuseteilen 2, 3 fest eingespannt. Auf seiner freien Fläche ist der Kunststoffträger mit einem aus zwei Keramikscheiben 4, 5, 6, 7, die jeweils beidseitig mit Elektroden versehen sind, bestehendem Bimorph verbunden, wobei die Fläche der Keramik­ scheiben so gewählt ist, daß ein Abstand S zur Einspannstelle entsteht. Dieser Abstand ist mitbestimmend für die Einstellung der elektroakustischen Parameter des Wandlerelementes. Je nach Verwendung der Anordnung als Hör- oder Sprechkapsel werden die Keramikscheiben verschieden polarisiert angeordnet. Die in den Keramikscheiben eingezeichneten Pfeile zeigen die Polarisa­ tionsrichtungen an.

Claims (7)

1. Piezoelektrischer Wandler mit einem im Randbereich einge­ spannten Träger sowie einem mit diesem verbundenen Wandler­ element, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlerelement aus zumindest zwei übereinander ange­ ordneten jeweils beidseitig mit Elektroden versehenen, polari­ sierten Keramikscheiben (4, 5, 6, 7) besteht, wobei der Elasti­ zitätsmodul und die Dichte des Trägers (1) so gewählt sind, daß diese Werte wesentlich kleiner sind als der Elastizitätsmodul und die Dichte der Keramikscheiben, so daß der Träger bezüglich des Schwingungsverhaltens des Wandlers in erster Näherung ver­ nachlässigbar ist.

2. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einem Kunststoff besteht.

3. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Einspannstelle des Trägers und dem Rand der Keramikscheiben ein von Keramik freier Bereich (S) vorhanden ist.

4. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kera­ mikscheiben (4, 5, 6, 7) gleiche Dicke aufweisen.

5. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kera­ mikscheiben (4, 5, 6, 7) unterschiedliche Dicke aufweisen.

6. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kera­ mikscheiben mit Elektroden gleicher Dicke versehen sind.

7. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kera­ mikscheiben mit Elektroden unterschiedlicher Dicke versehen sind.