DE4017276A1

DE4017276A1 - Piezoelektrischer wandler und schallgenerator

Info

Publication number: DE4017276A1
Application number: DE4017276A
Authority: DE
Inventors: Shinichi Okamoto; Hirokazu Ono; Masanori Fujita
Original assignee: Seikosha KK
Current assignee: Seikosha KK
Priority date: 1989-05-31
Filing date: 1990-05-29
Publication date: 1990-12-06
Also published as: GB2234110A; KR930009597B1; DE4017276C2; GB2234110B; KR900019277A; US5105116A; GB9011337D0

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Wandler und einen Schallgenerator.

Einige bekannte piezoelektrische Bauteile sind aus Kerami ken hergestellt, etwa PZT (eine feste Lösung aus Bleitita nat (PbTiO₃) und Bleizirkonat (PbZrO₃)). Andere bekannte piezoelektrische Bauteile bestehen aus hochmolekularen Ma terialien wie PVDF (Polyvinylidenfluorid). Diese piezo elektrischen Bauteile werden in weitem Umfang zur Schaller zeugung vom hörbaren Bereich bis zum Ultraschallbereich, als elektromechanische Wandler wie Stellglieder oder Moto ren und als mechano-elektrische Wandler wie Druckfühler verwendet.

Ein herkömmlicher Schallgenerator umfaßt eine Schwingungs quelle, etwa solch ein piezoelektrisches Bauteil, und einen Helmholtz-Resonator. Dabei wird die Schwingung der Schwin gungsquelle aufgrund von Resonanz durch den Resonator ver stärkt und tritt durch ein Loch im Resonator aus.

Piezoelektrische Bauteile aus Keramikmaterialien müssen bei hohen Temperaturen von etwa 1000 bis 1500°C gesintert wer den, weshalb es schwierig ist, eine gute Dimensionsgenauig keit zu erzielen. Außerdem sind Keramikmaterialien sehr spröde, so daß sie leicht brechen. Für piezoelektrische Bauteile aus hochmolekularen Materialien werden diese Ma terialien in Schichtform gebracht und mechanisch gespannt. Auch dabei ist es schwierig, eine gute Dimensionsgenauig keit zu erreichen. Die bekannten piezoelektrischen Bauteile müssen einem Polarisierungsprozess unterzogen werden, bei dem sie einem starken elektrischen Gleichfeld bei Curietem peraturen oder darüber ausgesetzt und dann zur Ausrichtung der elektrischen Dipole unter die Curietemperatur abgekühlt werden, so daß die piezoelektrischen Eigenschaften auftre ten. Die Herstellungsverfahren sind daher recht mühevoll.

Da bekannte Schallgeneratoren, die von solchen piezoelek trischen Bauteilen Gebrauch machen, Resonanzboxen verwen den, ist es schwierig, sie in geringen Größen herzustellen. Insbesondere ist es schwierig, sie dünn auszubilden. Da der Schall aus einem Loch in der Resonanzbox austritt, pflanzt er sich nur in bestimmten Richtungen fort. Es ist daher un möglich zu erreichen, daß sich der Schall in allen Richtun gen ausbreitet. Ferner bestehen Beschränkungen hinsichtlich der Freiheit der Formgebung. Dies macht es schwierig, star ken Schall bzw. große Lautstärken zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen vollkommen neuen piezo elektrischen Wandler zu schaffen, der nicht immer einen Po larisierungsprozess erfordert, eine weite Auslenkung er reicht sowie eine starke elektromotorische Kraft ent wickelt. Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, einen diesen piezoelektrischen Wandler verwendenden Schallgenerator zu schaffen, der einen hohen akustischen Umwandlungswirkungs grad aufweist und starken Schall erzeugt.

Diese Aufgabe wird durch einen piezoelektrischen Wandler gemäß Patentanspruch 1 bzw. einen Schallgenerator gemäß Pa tentanspruch 4 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Aufriß eines piezoelektrischen Wandlers gemäß der Erfindung,

Fig. 2(a) und 2(b) graphische Darstellungen der Oberflä chenauslenkungseigenschaften eines piezoelektri schen Wandlers gemäß der Erfindung einerseits und eines bekannten piezoelektrischen Wandlers anderer seits, wenn diese in Schwingungen versetzt werden,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Schallgenerators gemäß der Erfindung,

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Schalldrucks über der Frequenz für einen Schallgenerator mit einem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandler bzw. einen solchen mit einem bekannten piezoelektrischen Wandler,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Schall generators gemäß der Erfindung,

Fig. 6 schematisch einen Aufriß eines mechanoelektrischen Wandlers gemäß der Erfindung und

Fig. 7 eine graphische Darstellung der elektromotorischen Eigenschaften des mechanoelektrischen Wandlers.

Fig. 1 zeigt eine ferroelektrische Flüssigkristalltafel A als eine Ausführungsform der Erfindung. Sie enthält zwei einander gegenüberliegend angeordnete Grundplatten 1 und 2. Die Biegesteifigkeit einer der Grundplatten ist geringer als die der anderen. Die beiden Grundplatten bestehen aus Glas und weisen unterschiedliche Dicken auf. Die Grund platte 1 ist dünner als die Grundplatte 2, so daß sie eine geringere Biegesteifigkeit hat. Elektroden 11, 21 und Aus richtungsschichten 12, 22 sind auf den einander zugewandten Innenflächen der beiden Grundplatten 1 und 2 ausgebildet. Die Elektroden 11 und 21 sind elektrisch leitend und beste hen aus ITO (Indiumzinnoxid), Al (Aluminium), Cr (Chrom), Ni (Nickel) oder anderen Materialien. Die Ausrichtungs schichten 12 und 22 bestehen aus einer Matrix aus einem or ganischen Material wie Polyimid, Polyvinylalkohol, Polya mid, Polytetrafluorethylen (Teflon) oder einem Acrylharz, oder einem anorganischen Material wie SiO₂ oder Al₂O₃. Der äußere Rand der Grundplatten 1 und 2 ist mit Hilfe eines Dichtmittels 3 abgedichtet, so daß ein Spalt zwischen den Grundplatten besteht. In diesem Spalt ist eine ferroelek trischer Flüssigkristall 4 eingeschlossen.

Die Fig. 2(a) und 2(b) zeigen in graphischer Darstellung die Eigenschaften, die bei Messung der Oberflächenauslen kung zweier verschiedener ferroelektrischer Flüssigkri stalltafeln erhalten wurden. Die der Erfindung entspre chende Flüssigkristalltafel A enthält die beiden Grundplat ten 1 und 2 mit unterschiedlichen Biegesteifigkeiten. Eine bekannte ferroelektrische Flüssigkristalltafel weist zwei Grundplatten mit gleicher Biegesteifigkeit auf. Diese bei den Flüssigkristalltafeln wurden, wie nachfolgend näher be schrieben, aufgebaut. An die Elektroden beider Tafeln wurde eine Wechselspannung angelegt. Die Tafeln wurden aufgrund des elektrostriktiven Effekts des ferroelektrischen Flüs sigkristalls zu Schwingungen angeregt.

Ausrichtungsmethode:
Polyimid wurde im Schleuderverfahren aufgebracht und dann gebacken. Auf diese Weise wurden Ausrichtungs schichten auf den Elektroden ausge bildet. Die Ausrichtungsschichten wurden durch Reiben einer Ausrich tungsbehandlung unterzogen und die Grundplatten dann so zusammengesetzt, daß die Reiberichtungen der beiden Grundplatten einen Winkel von 100° bildeten. Die Ränder der Grundplatten wurden zur Schaffung eines Spalts von 10 µm zwischen den Elektroden abge dichtet. Ein ferroelektrischer Flüs sigkristall wurde unter Vakuum in den Raum zwischen den Grundplatten inji ziert. Die Anordnung wurde bis zum Erreichen der isotropen Phase erhitzt und dann allmählich zur Ausrichtung der Ausrichtungsschichten auf Raum temperatur abgekühlt.

Flüssigkristall:
ZLI-3774 hergestellt von der Firma Merck Co., Ltd.

Meßverfahren:
Eine Wechselspannung von ±100 V und 0,5 Hz wurde an die Elektroden 11 und 21 angelegt. Die Verformung (Auslenkung) in der Mitte jeder Tafel wurde mit einem Oberflächenrauhigkeitstestgerät gemessen (Surfcom 555A der Firma Tokyo Seimitsu Co., Ltd.).

Die Messungen wurden unter den oben angegebenen Bedingungen ausgeführt. Die Meßergebnisse der neuen Flüssigkristallta fel A sind in Fig. 2(a) wiedergegeben. Gemäß dieser Dar stellung betrug die Differenz zwischen dem Maximum und dem Minimum der Auslenkung der Flüssigkristalltafel 30 nm, wenn eine Wechselspannung von + 100 V angelegt wurde.

Die Meßergebnisse für die bekannte Flüssigkristalltafel sind in Fig. 2(b) dargestellt. Obwohl die Tafel durchaus leicht vibrierte, konnten Auslenkungsspitzen nicht klar be obachtet werden, da sie von dem Rauschen nicht unterscheid bar waren.

Es wurde dann eine Wechselspannung von ±15 V an diese bei den Flüssigkristalltafeln angelegt und die Frequenz verän dert. Beide Tafeln zeigten eine Resonanzfrequenz bei etwa 4 kHz. Die neue Flüssigkristalltafel erzeugte einen sehr viel stärkeren Schall als die bekannte Flüssigkristalltafel. Be züglich ferroelektrischer Flüssigkristalltafeln gleicher Größe und gleicher Dicke ergab sich klar, daß die Flüssig tafel mit zwei Grundplatten unterschiedlicher Biegesteifig keiten stärkere Schwingungen und einen stärkeren Schall er zeugt als die Flüssigkristalltafel mit Grundplatten glei cher Biegesteifigkeit.

Fig. 3 zeigt einen Schallgenerator, der eine ferroelektri sche Flüssigkristalltafel A gemäß der Erfindung verwendet. Mit Hilfe zweier Stützpfosten 6 ist eine akustische Reflex platte 5 im Abstand d im wesentlichen parallel zu der Tafel angeordnet. Der mit Hilfe der Reflexplatte 5 gebildete Raum 8 bildet ein Resonanzsystem für die Schwingungen der Flüs sigkristalltafel. Ein elektrischer Signalgenerator 7 legt ein Treibersignal an die beiden Elektroden der Tafel A an.

Da bei diesem Beispiel die akustische Reflexplatte mit Hilfe der beiden Stützpfosten 6 befestigt ist, ist nahezu der gesamte Rand des Raums 8 zwischen der Flüssigkristall tafel A und der akustischen Reflexplatte 5 mit Ausnahme der Stellen der beiden Stützpfosten 6 offen. An die Elektroden 11 und 21 wird eine Wechselspannung geeigneter Frequenz an gelegt, so daß die Tafel A aufgrund des elektrostriktiven Effekts des ferroelektrischen Flüssigkristalls 4 schwingt. Die Schwingungen der Tafel A werden von dem ein Resonanzsy stem bildenden Raum 8 verstärkt, so daß ein starker Schall erzeugt wird. Der Schall tritt nahezu überall am Außenrand der akustischen Reflexplatte 5 aus.

Der Schalldruck wurde mit einer solchen Anordnung einmal unter Verwendung der neuen ferroelektrischen Flüssigkri stalltafel und zum anderen unter Verwendung der bekannten ferroelektrischen Flüssigkristalltafel gemessen. Es wurden also zwei Schallgeneratoren aufgebaut. Der Abstand d betrug 3,5 mm, so daß sich ein Resonanzsystem für Schallwellen von etwa 4 kHz ergab. Von dem elektrischen Signalgenerator 7 wurde eine Wechselspannung von ±15 V an die Schallgenera toren angelegt und dabei die Frequenz verändert. Als Ergeb nis ergaben sich die in Fig. 4 gezeigten Verläufe des Schalldrucks über der Frequenz.

In Fig. 4 geben die ausgezogenen Linien die Eigenschaften mit der neuen Tafel und die gestrichelten Linien die mit der bekannten Tafel wieder. In beiden Fällen überschreitet der Schalldruck bei Frequenzen oberhalb von 4 kHz 80 dB. Es ist deutlich ersichtlich, daß sich mit der neuen Tafel im Frequenzbereich oberhalb von 1 kHz, wie er zu Alarmzwecken verwendet wird, an sehr viel stärkerer Schall ergab.

Abweichend von der in Fig. 3 gezeigten Darstellung wurde dann ein Schallgenerator aufgebaut, bei die Grundplatte 1 mit der geringeren Biegesteifigkeit der ferroelektrischen Flüssigkristalltafel A auf der Seite der akustischen Re flexplatte 5 angeordnet war. Es ergab sich ein dem oben beschriebenen Meßergebnis entsprechendes Ergebnis. Daraus ist abzuleiten, daß eine geringere Biegesteifigkeit einer der beiden Grundplatten 1 und 2 es dem neuen Schallgenera tor erlaubt, stärkeren Schall zu erzeugen, und daß die Lage der Grundplatte 1 mit der geringeren Biegesteifigkeit nicht immer in Beziehung zu der Erzeugung starken Schalls steht.

Fig. 5 zeigt eine andere Anordnung zur Befestigung der aku stischen Reflexplatte 5 an der ferroelektrischen Flüssig kristalltafel A. Eine Umfangswandplatte 9 ist an drei Sei ten der Reflexplatte 5 befestigt, so daß zwischen ihr und der Tafel A ein Raum 8 gebildet wird. Die Tafel A ist am oberen Ende der Umfangswandplatte 9 befestigt. Bei diesem Beispiel sind drei Seiten des ein Resonanzsystem bildenden Raums 8 von der Umfangswandplatte 9 umgeben. Nur die Vor derseite bildet eine Öffnung 10, von der Schall austreten kann.

Fig. 6 zeigt einen mechanoelektrischen Wandler unter Ver wendung der in Fig. 1 gezeigten neuen ferroelektrischen Flüssigkristalltafel A. Ein Spannungsdetektor 13 ist zwi schen die Elektroden 11 und 21 geschaltet, um die Spannung zu erfassen, die zwischen den Elektroden 11 und 21 abhängig von mechanischen Spannungen auftritt, denen die Grundplat ten 1 und 2 der oben beschriebenen Flüssigkristalltafel ausgesetzt werden.

Zur Untersuchung der elektromotorischen Wirkung des in der angegebenen Weise aufgebauten mechanoelektrischen Wandlers wurde eine 7 g schwere Kugel aus einer Höhe von 5 cm fal lengelassen, um auf die ferroelektrische Flüssigkristallta fel A eine Kraft auszuüben. Der Spannungsdetektor 13 stellte eine starke elektromotorische Kraft aufgrund des Aufschlags der Kugel fest, die allmählich gedämpft wurde, wie in Fig. 7 gezeigt. Wenn die 7 g schwere Kugel aus einer Höhe von 5 cm fallengelassen wurde, ergab sich die Diffe renz zwischen dem Maximum und dem Minimum der über der fer roelektrischen Flüssigkristalltafel A entstehenden Spannung zu 1,648 V.

Durch Anpassung des mechanoelektrischen Wandlers kann ein Berührungsschalter hergestellt werden. In diesem Fall dient die durch das Niederdrücken der Oberfläche der ferroelek trischen Flüssigkristalltafel A hervorgerufene elektromoto rische Kraft zur Erkennung des Niederdrückens. Wenn der neue mechanoelektrische Wandler in einer Tastatur oder ei ner anderen Vorrichtung, die eine Anzahl von Schaltern er fordert, eingesetzt wird, werden zahlreiche Elektroden durch Fotoätzen oder auf andere Weise ausgebildet, und dann kann eine Vielzahl von Schaltern mit gleichen Eigenschaften leicht und gleichzeitig aus einer einzigen ferroelektri schen Flüssigkristalltafel gebildet werden. Durch Verwen dung zweier Grundplatten mit unterschiedlichen Biegestei figkeiten erzielt man ein großes Ausgangssignal.

Es ist nicht immer notwendig, daß die beiden Grundplatten aus demselben Material bestehen. Sie können aus unter schiedlichen Materialien hergestellt werden, so daß sie verschiedene Biegesteifigkeiten aufweisen. Zum Beispiel kann eine der Grundplatten eine flexible Platte sein.

Die Erfindung ist nicht auf eine Anordnung beschränkt, bei die Ausrichtungsrichtungen der Ausrichtungsschichten 12 und 22 einen Winkel von 100° miteinander bilden. Diese Ausrich tungen können parallel oder auch nicht parallel zueinander sein. Auch ist es möglich, daß nur eine Seite durch Reiben ausgerichtet wird. Vorzugsweise sind die Ausrichtungs schichten in homogener Ausrichtung orientiert.

Wie voranstehend beschrieben, ist der neue piezoelektrische Wandler in Form einer ferroelektrischen Flüssigkristallta fel aufgebaut, so daß es leicht ist, diesen Wandler in je der beliebigen Form herzustellen. Ein Polarisierungsprozess ist nicht immer erforderlich. Da die Biegesteifigkeit der beiden Grundplatten unterschiedlich ist, kann eine größere Auslenkung als bisher erzielt werden. Für eine gegebene me chanische Kraft ergibt sich eine größere elektromotorische Kraft. Der Wandler hat daher einen hervorragenden elektro motorischen Effekt. Der neue Schallgenerator entwickelt einen starken Schalldruck. Wenn eine akustische Reflex platte in diesem Schallgenerator angeordnet wird, wird der akustische Wandlerwirkungsgrad erhöht, und es kann ein stärkerer Schall erzeugt werden. Auch kann die verbrauchte elektrische Leistung verringert werden. Ebenso ist der Ge nerator einfach im Aufbau und leicht herzustellen. Der Schallgenerator kann dünn ausgebildet werden. Durch Schaf fung eines ein Resonanzsystem bildenden Raums, der an allen Seiten offen ist, kann der Schall am ganzen Rand des Schallgenerators abgegeben werden.

Claims

1. Piezoelektrischer Wandler umfassend eine ferro elektrische Flüssigkristalltafel mit zwei Grundplatten (1, 2) und einem zwischen diesen eingeschlossenen ferroelektri schen Flüssigkristall (4), wobei die einander zugewandten Innenflächen der Grundplatten mit Elektroden (11, 21) und Ausrichtungsschichten (12, 22) versehen sind und eine (1) der Grundplatten (1, 2) eine geringere Biegesteifigkeit als die andere Grundplatte aufweist.

2. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Bie gesteifigkeiten der beiden Grundplatten durch unterschied liche Dicken derselben hervorgerufen sind.

3. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Bie gesteifigkeiten der beiden Grundplatten (1, 2) durch unter schiedliche Materialien für dieselben hervorgerufen sind.

4. Schallgenerator, gekennzeichnet durch die Verwendung eines piezoelektrischen Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine akustische Reflexplatte (5) unter Bildung eines Raums (8) im wesentlichen parallel zur Flüssigkristalltafel angeordnet ist, der ein Resonanz system für die Schwingung der Flüssigkristalltafel bildet, die von dem elektrostiktiven Effekt des ferroelektrischen Flüssigkristalls (4) hervorgerufen wird.

5. Schallgenerator nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der Schall im wesentlichen vom gesamten Außenrand der akustischen Reflexplatte (5) aus tritt.

6. Mechanoelektrischer Wandler, gekenn zeichnet durch die Verwendung eines piezoelektri schen Wandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Spannungsdetektor (13) zur Feststellung der zwischen den Elektroden (11, 21) auftretenden Spannungsdifferenz ent sprechend der auf die Grundplatten (1, 2) ausgeübten mecha nischen Spannung vorgesehen ist.