DE6609583U - Piezoelektrischer wandler. - Google Patents

Description

Abschrift

20. Juni 1968 Gzl/ri/mi

MOTOROLA, Ine,

Piezoelektrischer Wandler

In den letzten Jahren haben sich piezoelektrische Materialien für die Umwandlung elektrischer in mechanische Signale zunehmend durchgesetzt. Ein piezoelektrischer Wandler hat nicht die Nachteile elektromagnetischer Wandler wie große Abmessungen, Anfälligkeit gegen WindungsSchluß und geringe Zuverlässigkeit·

Es sind bereits viele Vorschläge für die Verwendung piezoelektrischer Materialien in einem Wandler zur Umwandlung zwischen elektrischen und Tonsignalen gemacht worden, jedoch richten sich die meisten auf Schallwellenwandler für hohe Prequenzen. bei denen die kapazitiven Eigenschaften des piezoelektrischen Materials für das notwendige Ausgangssignal bei höheren Frequenzen verantwortlich sind, Da die Resonanzfrequenz eines " bimorphen piezoelektrischen Wandlers umgekehrt proportional zu seiner Fläche ist, würde ein vernünftiges Ausgangssignal bei niedrigen Frequenzen einen Wandler mit so großen Abmessungen erfordern, daß er dünn und unpraktisch würde, so daß bei der Umwandlung zwischen elektrischen und mechanischen Signalen Verluste auftreten würden.

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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung eines Wandlers, welcher auch im unteren Tonfrequenzbereich eine Umwandlung zwischen elektrischen und Tonsignalen bewirken kann. Ferner soll der Wandler Energie zwischen einer elektrischen Schaltung und einer Membran übertragen und eine relativ geringe Größe haben.

Zur Lösung dieser Aufgabe umfaßt der erfindungsgemäße Wandler ein oder mehrere bimorphe Schwinger, die je einen Kantenteil und ein Mittelteil haben. Einer der Teile ist mechanisch mit einem axial beweglichen Teil einer Membran verbunden, und der andere Teil ist über ein Abstandsstück an einem Bezugsträger befestigt, um eine axiale Bewegung dieses anderen Teils gegenüber dem Träger zu verhindern, während eine axiale Bewegung des ersten Teiles möglich ist.

Insbesondere umfaßt der Wandler eine Membran mit einer Achse und einem axial beweglichen Teil. Er enthält ferner ein piezoelektrisches System mit einem ersten und einem zweiten, in gegenseitigem Abstand angeordneten bimorphen Schwinger einer vorbestimmten Polarisation, deren jeder sich senkrecht zur Achse der Membran erstreckt.

Ein gelenkig an den Kantenteilen der Schwinger gelagertes Abstandsstück hält den Abstand zwischen diesen Teilen praktisch konstant, erlaubt jedoch unabhängige axiale Bewegungen der einzelnen Portsätze der Schwinger. Die Schwinger sind entsprechend ihrer jeweiligen Pdarisierung

elektrisch miteinander verbunden, so daß sie sich bei Anregung in entgegengesetzten Richtungen durchbiegen. Der Mittenabschnitt des einen Schwingers ist mechanisch mit dem axial beweglichen Teil der Membran verbunden, so daß mechanische Signale übergekoppelt werden, während der mittlere Teil des anderen Schwingers fest am Träger befestigt ist. Dadurch wird das übertragungsverhalten des Wandlers bei niedrigen Frequenzen verbessert, weil einmal die wirksame Fläche vergrößert ist und zum anderen seine Auslenkung über den gesamten Freipaenzbereich, in dem der Wandler arbeitet, vergrößert ist.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Darstellungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung,

Es zeigen:

.rig. ' βΰ-ϋθΏ. Schtütt uüfCh ΘΧϋθη gcüiciße der

aufgebauten Lautsprecher,

Fig. 2 einen verkleinerten Schnitt gemäße der Linie 2-2 von Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische vergrößerte Seitenansicht der beiden Schwinger und des verbindenden Abstands Stückes des Lautsprechers nach Fig,1,

Fig. 3a eine perspektivische Ansicht des Abstandsstückes nach Fig. 3»

Fig. 4- die Durckbiegungsverteilung der Schwinger nach Fig· 3,

Pig. 5 eine ü.. amatische vergrößerte Seitenansicht siner Mehrzahl von Schwingern entsprechend einer anderen Ausführungsform der E findung,

]?ig„ 6 die Durchtiegungsverteilung der Schwinger nach

5,

Fig. 7 eine weitere Ausfüirrungsform der Erfindung,

Fig. 7a die Durehhiegungsverteilung eier Schwinger nach » 7»

Fig. S eine Antriebsart einer Membran von einem Schwinger,

Fig, 9 die Durchbiegungsverteilung des Sghwingers nach Fig. 8,

Fig. 10 eine weitere Ausführungsorm der Erfindung und

Fig· 11 eine Veranschaulichung der Verwendung der Ausführungsform nach Fig· 10 bei einem Lautsprecher,

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Wandler in Form eines in

ein Gehäuse 10 eingebauten lautsprecher mit einem Korb 12 und einer an diesem mit Hilfe eines Paares von Befestigungsstücken 16 und 18 angebrachten ringförmigen Platte 14. Der Wandler enthält eine nachgiebige Membran 20 mit einer Spitze 22, die entlang der Membranarh.se beweglich ist, wenn sie mechanisch angeregt wird. Die Membran hat eine Anzahl von Eigenresonanzstellen innerhalb eines Sequenzbereiches, der hauptsächlich durch ihre Größe bestimmt ist, und je weiter der vom lautpsrecher wiederzugebende Freijuenzbereich. ist, desto größer muß die Membran sein. Infolge der Anzahl von Eigenresonanzstellen ist der Verlauf des Übertrggragsberexches innerhalb eines Resonanzbereiches relativ flach im Verhältnis zur Resonanzspitze einer Resonanzschaltung.

Das piezoelektrische System 24 zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie durch eine axiale Bewegung der Membranspitze 22 ist im einzelnen in Fig. 3 dargestellt und enthält zwei Schwinger 26 und 26·. Der Schwinger 26 besteht aus zwei piezoelektrischen Platten 28 und 30, die im Interesse eines maximalen elektromechanischen Wirkungsgrades eine runde Form haben· Die Platten sind mittels eines Harzes oder dergleichen aneinander befestigt, wobei zwischen ihren Innenflächen eine Zwischenelektrode 32 angeordnet ist. Der Wandler 26 hat ferner ein Paar Außenelektroden 34 und 36, welche auf die entsprechenden äußeren Flächen aufplattiert sein können. Die entsprechenden Teile des Schwingers 26' sind mit gleichen Bezugsziffern und einem Strich gekennzeichnet. Die äußeren

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Elektroden 34 und 56 des Schwingers 26 und die äußeren Elektroden 34! und 36' des Schwingers 26· sind miteinander und mit einer Eingangsklemme 38 verbunden. Die Zwisehenelektroden 32 und 32* sind mit einer zweiten Eingargsklemme 40 verbunden. Den Eingangsklemmen 38 und 40 wird von einer Signalquelle 46 aus ein elektrisches Signal innerhalb des Tonfrequenzbereiches zugeführt»

Pur die folgende Erklärung der Wirkungsweise des Schwingers 26 bei der Umwandlung elektrischer Signale in entsprechende mechanische Signale zum Antrieb der Membran 20 sei angenommen, daß der Schwinger nicht befestigt ist. Die Platten 28 und 30 sind dauernd in Richtungen polarisiert, welche duirii die Pfeile 48 bzw, 50 angegeben sind. Wenn das elektrische Signal am Anschluß 38 gegenüber dem Anschluß 40 positiv ist, dann ist das elektrische Feld in der entsprechenden Platte in Richtung der Pfeile 52 und 54 gerichtet. Da das elektrische Feld in der Platte 28 die gleiche Richtung wie die Polarisation hat, zieht sich die Platte 28 radial nach innen in Pfeilrichtung 56 zusammen. Da in der Platte 30 die Polarisation und das elektrische Feld entgegengesetzt gerichtet sind, dehnt sich die Platte 30 nach außen in Pfeilrichtung 58 aus. Der Schwinger 26 ist relativ dünn ausgebilder, so daß er sich *. . längs seiner Axialabmessung durchbiegt, wobei er sich bei den vorstehend beschriebenen Verhältnissen

zwischen Polarisation und elektrischen Feldern in seines Mittelteil axial nach oben in Pfeilriehtung 60 durchbiegt.

Bei Annahme der gleichen Funktionsweise des Schwingers 60' und einer Polarisation in Richtung der Zeile 48' und 50' biegt sich der Schwinger 26* in der entgegengesetzten Richtung entsprechend dem Pfeil 62 durch, wenn der Anschluß 28 positiv gegenüber dem Anschluß 40 ist. Bei Umkehr der Polarität zwischen den Anschlüssen 38 und 40 kehren sich die elektrischen Felder im Schwinger 26 um, so daß sich die Platte 28 radial nach außen ausdehnt und

sich die Platte 30 radial nach innen zusammenzieht, so daß/der Schwinger 26 in seiner Mitte in Pfeilriehtung 64 durchbiegt. Entsprechend biegt sich der Schwinger 26' in der durch den Pfeil 66 angedeuteten entgegengesetzten Richtung durch, Bfcsdn Anlegen eines Wechselspannungssignals an die Anschlüsse 38 und 40 schwingen die Schwinger 26 und 26' gleichzeitig in entgegengesetzten Richtungen. Für diese entgegengesetzte Schwingungsrichtung kann eine Vielzahl von Verbindungen der Elektroden mit den Eingangsauschlüssen mit Bezug auf die Polarisation der Platten verwendet werden, von denen die vorbeschriebene nur als Beispiel angegeben ist.

Ein Gelenkstück oder Abstandsstück 66 von beispielsweise Ringform zur Anpassung an die Form der Söhwxnger ist im

Querschnitt dargestellt. Das Abstandsstück hat ringnutenförmige Seile 69 und 69', die entsprechend an den TTmfangskanten der Schwinger 26 und 26' gelenkig "befestigt sind und im Idealfall einen festen Abstand zwischen den Schwingern aufrechterhalten, wenn sich diese durchbiegen, so daß ihre Kanten sich gegenseitig nicht bewegen; diese Konstruktion erlaubt auch, daß der Mittelpunkt der Rund— kanten praktisch feststehend bleibt, während die Seiten der Kanten um diesen Mittelpunkt schwingen. Die Verluste

einer solchen Anordnung_ sind__wesjentli-h "niedriger, als

wenn die Kanten fest eingespannt wären. Im Interesse einer klareren Darstellung sind die Abmessungen der Abstandsstücke nicht im richtigen Verhältnis gezeichnet, in der Praxis kann der Abstand zwischen den Nutenteilen 69 und 69' des Abstandsstückes 66 etwa achtmal so groß wie die Dicke jedes Schwingers sein. Das Abstandsstück 66 soll so ausgebildet sein, daß sich die Schwinger frei und unabhängig in axialer Richtung entlang ihren getrennten Ausdehnungen telegen können. Pig. 3a zeigt ein Abstandsstück, das aus Aluminium besteht und die Form einer gebogenen Leiter mit Quersprossen 67 hat, welche den Absxand zwischen den Nutenteilen 69 und 69' praktisch konstant halten. Die Schwinger 26 und 26' sind entsprechend an diesen teilen befestigt. Die Quersprossen 67 biegen sich in ihren Mittenabschnitten durch, so daß die Schwinger sieh axial nach oben und unten bewegen können.

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In Fig. 4a ist der Schwinger 26 mit einer Ruhestellungslinie 68 und der Schwinger 26' mit einer Ruhestellungslinie 68' dargestellt, wobei die Umfangskanten in einem Abstand 70 durch das Abstandsstück 66 getrennt sind. Wenn die Pdarität der elektrischen Signale so gerichtet ist, daß sich die Schwinger 26 und 26' entsprechend den Pfeilen 60 und 62 nach Pig· 3 durchbiegen, dann verläuft ihre Durchbiegung entsprechend den gestrichelten Linien 72 und 72·, wobei sich ihre Mitten um die Abstände 74 und 74* bewegen. Kürt sich die Polarität der elektrischen Signale um, dann verlaufen die Durchbiegungen nach den gestrichelten Linien 76 und 76», wobei sich die Mitten um die Abstände 78 und 78' bewegen. Da die Schwinger eine runde Föx-m haben, veranschaulichen die dargstellten Durchbiegungen die tatsächlichen "Ausbeulungen" der Schwinger.

Entsprechend Pig. 1 ist der mittlere Teil der oberen Fläche

des Schwingers 26 fest an einem Vorsprung 79 der Ringplatte 14 mit Hilfe eines Harzes oder dergleichen befestigt, so daß bei einer Durchbiegung des Schwingers 26 entsprechend der gestrichelten Linie 72 die Umfangskante des Schwingers 26 sich von der Ruhelage 68 um eine Abstand 82 nach unten biegt (entsprechend dem Durchbiegungsverlauf 80 von Fig. 4b), welcher gleich dem Abstand 74 ist, um den sich das Mittelstüek bewegen würde, wenn der Schwinger nicht befestigt wäre. Da das Abstandsstück 66 den Abstand 70 zwischen den "ümfangs- !kanten festhält, wird die Ruhelinie des Schwingers 26' um

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einen Abstand 84 nach unten verschoben, welcher gleich dem Abstand 82 ist, um den sich die gesamte Durchbiegungsverteilung nach unten verschiebt, so daß die Gesamtauslenkung des Mittelteiles der unteren Fläche aus der Ruhelage 68' gleich der Entfernung 86 ist- welche doppelt ao groß wie die Entfernung 74* in Fig. 4a ist. Da die Spitze 22 der Membran 20 mit dem Mittelteil des Schwingers 26' beispielsweise durch ein Harz verbunden ist, erzeugt die Membran eine Schallwelle, deren Größe proportional ia Abstand 86 ist.

sich die Polarität des elektrischen Signals um, so daß der Schwinger 26 sich entsprechend der gestrichelten Linie 76 durchbiegt, dann wird eine solche Bewegung auch unterbunden. Daher bewegt sich seine Umfangskante entsprechend deiü SurohbiegtHägsverlauf 32 yöb JrIg* 4-ö stls Ssx Ruhelage 68 um einen Abstand 9Q sach oben, welcher gleich dem Abstand 78 in Fig. 4a ist. Der Abstand 70 zwischen der Umfangkante wird durch dlas Abstandsstück 66 festgehalten, so daß die Ruhelinie des Schwingers 26 sich um den Abstand 94 nach oben verschiebt, welcher gleich dem Abstand 90 ist, so daß die Gesamtauslenkung aus der Ruhelage 68* gleich dem Abstand 76, also doppelt so groß vie die Entfernung 78T ist.

Wenn die Polarität des den Anschlüssen 38 und 40 zugeführten

elektrischen Signals zwischen positiven und negativen Werten abwechselt, dann wechselt die Auslenkung des Hittelteiles

des Schwingers 26' zwischen den Durchbiegungen der Fig. 4b und 4c. Ändert sich die Amplitude des elektrischen Signals, dann ändern sich die Abstände 86 in Pig. B \rad 96 in Pig. C proportional; das gleiche gilt für die Amplitude der von der Membran 20 abgestrahlten Schallwelle.

Der Vorteil der beschriebenen Konstruktion wird deutlich, wenn man die Eigenschaften eines einzelnen Schwingers betrachtet, dessen Mittelabschnitt seiner einen Seite an der Spitze 22 der Membran 20 befestigt ist, während die andere Seite nicht befestigt ist. Die Auslenkung dieses Mittelabschnittes nimmt schnell ab, wenn die Frequenz des zugeführten elektrischen Signals unter seine Resonanzfragen absinkt, da jedoch das piezoelektrische Material im wesentlichen kapazitiv wirkt, wird seine Auslenkung bei höheren Prequenäeu. nieht nennenswert kleiner. Wsnn beispielsweise der Schwinger eine Resonanzfrequenz von 400 Hz hat, dann 1st seine Auslenkung bei einem elektrischen Signal einer Amplitude von 400 Hz oder höher von einer bestimmten Größe, bei einem elektrischen Signal niedriger Frequenz und

wesentlich gleicher Amplitude ist sie jedoch/geringer. Die Stärke von der Membran 20 ausgesendeten Schalles ist direkt proportional diesen Auslenkungen, so daß bei Verwendung eines Schwingers mit 400 Hz Resonanzfrequenz die Schallstärke für ein 400 Hz-Signal wesentlich größer als für ein 100 Hz-Signal ist. TJm diese Wiedergabeverzerrungen zu verringern, kann die Fläche des Schwingers entsprechend der umgekehrt

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proportionalen Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz und Schwingerfläche (Quadrat des Durchmessers) eines piezoelektrische bimorphen Schwingers vergrößert werden. Wenn eine Seheibe von 5 cm Durchmesser eine Resonanzfrequenz von 400 Hz hat und bei Anlegen sines Signals von 400 Hz eine bestimmte Auslenkungsamplitude hat, dann reduziert sich die Resonanzfrequenz auf 10 cm (Vergrößerung der Fläche um den Faktor 4) auf 100 Hz. Ein solcher 10 em-Schwinger wäre einmal zu groß für die Verwendung in einem Lautsprechergehäusfe üblicher Größe, außerdem wäre er zu dünn und würde daher zu große Umwandlungsverluste haben. Dieses Problem wird durch die Verwendung von zwei Schwingern 26 und 26· kleineren DtLTchmessers gelöst, welche mit dem Abstandsstück 66 verbunden sind und die Wirkung einer Flächenverdoppelung und damit Halbierung der Resonanzfrequenz haben. Wenn demnach zwei 5 cm-Schwinger verwendet werden- die ^s eine Resonanzfrequenz ?cs 400 Hz h€ib@n dann beträgt die Resonanzfrequenz der Kombination 200 Hz. Während ein 400 Hz-Sehwinger bei einem 200 Hz-Signal praktisch kaum noch schwingen würde, strahlt ein Paar von 200 Hz-Schwingern noch ein erhebliches Signal ab. Zusätzlich, wird die Auslenkung, wie vorstehend erläutert, über den gesamten Frequenzbereich, in welchem das System 24 arbeitet (über seine Resonanzfrequenz), also oberhalb von 200 Hz, verdoppelt. TJm die Resonanzfrequenz auf 100 Hz abzusenken, wird die Fläche jedes Schwingers verdoppelt, so daß er einen Durchmesser von 7 cm hat, der wesentlich geringer als der

bei einem einzigen Schwinger erforderliche Durchmesser von 10 cm. ist.

Das für die Verbindung der Schwinger 26 und 26' verwendete Abstandsstück 66 verhindert in der Praxis nicht völlig eine gegenseitige Bewegung der Umfangskanten der Schwinger, jedoch erlaubt es eine völlig freie gradlinige Bewegung der Mittelteile, dadurch tritt zwar ein geringer Verlust auf, der jedoch bei praktischen Ausführungen so gut wie nicht ins Gewicht fällt.

Bei einem praktischen Aufbau hatten die Schwinger einen Durchmesser von 4,25 cm und eine Dicke von 0,475 mm, und bei der Befestigung an einer Membran betrug die untere Grenzfrequenz oder Resonanzfrequenz des Systems 200 Hz.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Pig. 5 darges-feLlt. Sie enthält ein Paar piezoelektrische Systeme 98 und 100, die ebenso wie das System nach Fig. 3 aufgebaut sind. Das Schwingerpaar 102 und 104 des Systems 98 ist mit seinen Umfangen am Abstandsstück 106 gelagert, und das Schwingerpaar 108, 110 des Systems 100 ist mit seinen Umfangkanten an einem weiteren Bestandsstück 112 gelagert. Der Mittelteil der unteren Fläche des Schwingers 110 ist an der Spitze 22 der Membran 20 befestigt. Die Mittelteile der einander gegenüberliegenden äußeren Flächen der Schwinger 104 und 108 sind mit einem Abstandsstück 113 verbunden, welches den Abstand zwischen diesen Teilen festhält. Je auf

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die Außenflächen jedes Schwingers sind ein Paar Außenelektroden aufplattiert, die sämtlich miteinander und mit der Eingangsklemme 38 verbunden sind. Die Zwischenelektroden der vier Schwinger sind ebenso miteinander und mit dem anderen Eingangsanschluß 40 verbunden, wobei die Schwinger in Richtung der Zeile polarisiert sind. Ein den Eingangsanschlüssen 38 und 40 zugeführtes elektrisches Signal läßt die Schwinger des Systems 98 sich in entgegengesetztes Richtungen durchbiegen, das gleiche gilt für die Schwinger des Systems 102 und 108 in der gleichen Richtung wie die Schwinger 104 und 110.

Wenn das elektrische Signal gerade positiv ist, bewegt sich die Außenkante des Schwingers 102 aus ihrer Ruhelage 104 um eine Entfernung 116 nach unten, wie die Durchbiegungsverteilung 118 in Fig. 6a zeigt. Da das Abstandsstück 106 den Abstand 120 zwischen den Umfangkanten festhält, wird die Ruhelinie 122 des Schwingers 104 um eine Entfernung, die gleich der Entfernung 116 ist, nach unten verschoben, so daß sich die ganze Durchbiegungsverteilung 123 nach unten verschiebt. Da der Abstand zwischen den Schwingern 104 und 1o8 infolge der Abstandsstücke 113 fest ist, verschiebt sich die Durchbiegung des Schwingers 104 die Ruhelinie 124 des Schwingers 108, der sich selbst entsprechend der Schwingungsverteilung 126 durchbiegt. Da d'Br Abstand arischen den Umfangen dec Schwinger 108 und 110 durch das Abstandsstück 112 praktisch konstant gehalten

wird, bewe^ sJ^kYä^&(^wlia^^5irtiuster 130: des Schwingers

110 nach unten, so daß der Mittelabschnitt der· unteren fläche des Schwingers 110 sich um die Entfernung 130 von ihrer Ruhelinie 131 bewegt, Die gestrichelte Linie 132 stellt die Durchbiegung eines einzelnen Schwingers dar, wobei die Auslenkung seiner Mitte den Abstand 134 beträgt, welcher ein Viertel des Abstandes 130 ist.

Diese Verhältnisse können weiter erläutert werden, um zu zeigen, daß bei einer "Umkehrung der Polartat der elektrisch verbundenen Kreuzanschlüsse 38 uü/ä 40 der Abstand, um welchen sich der Mittelteil des Schwingers 110 bewegt, gleich dem Abstand 136 in Pig* 6b ist· Um zusätzlich eine vierfache Auslenkung zu erzielen, ist die Fläche des Systems nach Pig· 5 praktisch vervierfacht, so daß seine Resonanzfrequenz ein Viertel von der eines einzelnen Schwingers beträgt.

Zusätzliche Schwinger können zur weiteren Vergrößerung der Auslenkung des Schwingers 110 bei einem Signal einer vorgegebenen Amplitude angeschlossen werden, indem der Mittelteil des ersten Schwingers am Gehäuse 10 und der Mittelteil des letzten Schwingers an der Membran befestigt

wird und Abstandsstücke zwischen aufeinanderfolgenden der Zwischenschwinger angeordnet werden. Dieses Verfahren der

Elektroden und der Polarisationsrichtungen entsprechender Platten jedes Schwingers ist nur als Beispiel angeführt, und es lassen sich auch andere Methoden verwenden, bei

denen die Schwinger jedes Systems sich gleichzei"Sg in entgegengesetzten Richtungen durchbiegen, während entsprechende Schwinger aller Systeme sich gleichzeitig in derselben Richtung durchbiegen.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Pig. 7 gezeigt4 Sie enthält ein Paar piezoelektrischer Systeme 138 und 140, die denen nach Fig. 3 entsprechen. Die Kanten der Schwinger 138 sind gelenkig a m Gehäuse 10, das schematisch als Träger dargestellt ist, gelagert, und die Kante des Schwingers 140 ist gelenkig an einem axial beweglichen Teil einer Membran 20 befestigt. Die Mittelabschnitte der entsprechenden Schwinger sind durch ein Abstandsstück 142 verbunden, welches den Ab-,Stand zwischen diesen Teilen festhält. Wieder sind die elektrischen Verbindungen zwischen den Schwingern 138 und 140 mit Bezug auf ihre Polarisierung so getroffen, daß die Schwinger sich in entgegengesetzten Richtungen durchbiegen.

Wie die Durchbiegungsverteilung der Fig* 7 zeigt, bewegt sich bei Anlegen des elektrischen Signals einer Polarität der Mittelteil des Schwingers 138 aus seiner Ruhelinie 144 nach unten, so daß die Mitte des Schwingers 140 sich aus ihrer Ruhelage 146 nach unten bewegt. Wegen der gleichzeitigen gegenläufigen Aus»- biegung des Schwingers 140 bewegt sich seine Kante um

,den Abstand 148 nach unten und treibt die Membran 20 mechanisch an. Ein elektrische^ Signal entgegengesetzter Polarität verursacht eine Bewegung der Kante des Schwingers HO in der anderen Richtung, weiterhin lassen sieh zusätzliche Schwinger in Reihe einschalten, wobei die Kante eines dritten Schwingers und die Mitte des vierten Schwingers eingefügt würde, wobei die Kante des vierten Schwingers gelenkig mit dem axial beweglichen Teil der Membran 20 verbunden würde.

Jig. S zeigt einen einzigen ringförmigen Blattenschwinger

150, der in seiner Konstruktion den Schwinger 26 nach

den !Pig. 1 utid 3 entspricht * Er ist mit seiner Mitte an der Spitze 22 der Membran 20 befestigt. Auf-*= die äußeren Oberflächen des Plattenschwingers 15»O sind äußere Elektroden aufplattiert, die mit einem der 'Eingangsanschlüsse 38 verbunden sind. Die Mittelelektrode ist mit dem Eingangs anschluß 40 verbunden. Wenn keine weiteren mechanischen

Yerbindungen. zu der Platte 150 bestehen, dann verursacht ein den Eingangsansclilüssen zugeführtes elektrisches Signal eine Durchbiegung der Platte, wie es die Seitenansicht der Platte in ü?ig. 9 zeigt. Die gestrich: elte Linie 152 stellt die Durchbiegung dar, velclie sich, infolge

einer Polarität des elektrischen Signals ergibt, die gestrichelte Linie 154 stellt die Durchbiegung bei einem elektrischen Signal der entgegengesetzten Polarität dar. Die Linie 156 stellt die Ruhelage der Platte dar. In jedem Augenblick gleicht die Masse oberhalb der Linie 156 der Masse unterhalb dieser Linie. Mit anderen Worten ist die Masse innerhalb eines durch die Punkte 158 und 160 bestimmten Nullkreises gleich der Masse außerhalb dieses Kreises. Bekanntermaßen muß die Membran eines Lautsprechers umso größer sein (und damit eine umso größere Masse haben), je niedriger die tiefste vom Lautsprecher wiederzugebende Frequenz sein soll. Durch eine Vergrößerung der Masse der Membran 20, welche an der Mitte der Platte 150 befestigt wird, verschiebt sich der Tfullkreis nach innen, so daß die verfügbare Auslenkung der Platte 150 und damit die Lautsprecheraußgangsleistung verringert wird. Das Eäcn nännr^n χ,όβιρν "^iujri wcrucSj ug§ man am Umfang der Platte 150 eine zusätzliche Masse anbringt, so daß sich der Nullkreis nach außen verschiebt, jedoch wird sie dadurch für praktische !Dieftonlautspredier zu schwer, um noch gut von der Membran geaaltert werden zu können.

Diese Schwierigkeit läßt sich durch die Ausftiirungsform nach Fig. 10 umgehen, bei der eine Masse in Form eines Ringes 162 an den äußeren Umfang der Platte mit Hilfe mehrerer Clips 164 befestigt ist. Der Ring 162 dient zixr

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Verringerung der Resonanzfrequenz der Platte 150, er ermöglicht eine schwerere Membran 20, vergrößert allerdi ngs die mechanischen Verluste.

Insbesondere bilden die Clips 164 ein Gelenk, das etwas dem Gelenk 66 der Pig. 3a gleicht, Die Vertiefungen 166 in jedem Clip 150 entsprechen etwa dem Nutenabschnitt 69' des Gelenks 66, dh. der Plattenschwinger 150 wird durch diese Vertiefungen in seiner Lage gehalten. Die längsgestreckten Teile 168 der Clips 164 entsprechen den Sprossen 67 des AbstandsStückes 66. Die Oberseite der Längsteile 168 sind mit einer Zusatzmasse in Porm eines Ringes 162 verbunden»

Eine solche Konstruktion eignet sich insbesondere für den Lautsprecher nach Pig. 11, wo die der Pig. 1 entsprechenden Bauteile mit den gleichen BezugsZiffern bezeichnet sind. Die Oberseiten der Längsteile 168 sind hier mit der Ringplatte 14 verbunden, welche die Oberseite des Gehäuses 10 darstellt und die durch den Ring 162 der Pig. 10 dargestellte" Masse bildet. In gleicher Weise wie bei den Aus— führungsformen nach den Pig. 3 und 5 ist die Umfangkante der Platte 150 gelenkig in den Vertiefungen 166 der Clips

164 gelagert. Der Mittelteil der Platte 150 ist an der Spitze 22 der Membran 20 befestigt» Die Wirkung ist so,

als ob eine zusätzliche Masse an der Umfangskante der Platte 150 befestigt wäre, so daß die Axialbewegung der

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Umfangskante gegenüber dem Gehäuse 10 verhindert wird und nur ein Schwenken innerhalb der "Vertiefungen 166 möglich ist. Pin den Eiagangsanschlüssen 38 und 40 zugeleitetes elektrisches Signal hat eine Durchbiegung des Plättchens 150 in gleicher Weise, wie- es durch die gestrichelten Linien 76 und 72 in Fig. 4a gezeigt ist, zur Folge. Nun ist die Auslenkung des Mittelteiles der Platte 150 praktisch gleichmäßig, da die Masse der Membran 20 zur Erzeugung niederfrequenten Schalls ziemlich groß ist.

Obgleich die Erfindung für die Anwendung bei einem Lautsprecher beschrieben ist, lassen sich die beschriebenen Schwingeranordnungen auch für Mikrophone verwenden. In diesem Fall verursachen Tonsignale Schwingungen der Membran 10 entsprechend ihrer Amplitude und Frequenz, so daß der untere SGhwinger des piezoelektrischen Systems ausgelenkt wird. Die Betriebsweise ist gerade umgekehrt zu der vorerwähnten eines Lautsprechers, und es werden zwischen den Anschlüssen 38 und 40 elektrische Signale erzeugt.

Claims (7)

1. If 62 8-17/21 a2 - - 18. Januar 1971

   Motorola, Ine· Gzh/3 elm/mi

   S chut zansprüehe

   · Elektroakustischer Wandler mit einer Halterungsanord— nvxLg und einer Membran mit einem axial "beweglichen !Peil, einem ersten piesoelektrischen System ausgewählter Polarisation, das sich, quer zur Achse erstreckt und einen Kanten- und sinen Mittelteil hat, von denen ein Teil mechanisch mit dem bewegbaren Teil der Membran verbunden ist, gekennzeichnet durch ein zweites piezoelektrisches System (25) ausgewählter Polarisation, das sich quer zur Achse erstreckt und einen Kanten- und einen Mittelteil hat, wobei das Teil des zweiten Systems mechanisch mit der Halterungsanordnung (79) verbunden ist, der dem Teil des ersten Systems (26») entspricht, welches mit der Membran (20) verbunden ist, durch ein Abstandsstück (66), das den anderen Teil des ersten piezoelektrischen Systems (26·) mit dem entsprechenden Teil des zweiten (26) verbindet,, und durch eine elektrische Schaltung (38, 40), die beide piezoelektrische Systeme (26¹. 26) miteinander verbinddet, so daß sich die Systeme als Antwort auf das elektrische Potential einer vorgegebenen Polarität in entgegengesetzte Richtungen durchbiegen.
2. 2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der piezoelektrischen Systeme (26, 26·) ringförmig ausgebildet ist.
3. 3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandsstück (142) die Mittelteile beider piezoelektrischer Systeme miteinander verbindet» daß der Kantenteil des ersten piezoelektrischen Systems (140) mit dem bewegbaren Teil der Membran (20) gekoppelt ist, und daß der Kantenteil des zweiten piezoelek-

   triechen Systems (138) mit der Halterungsanordnung verbunden ist_o
4. 4. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein drittes (102) und viertes (104) piezoelektrisches System, die · zwischen dem ersten und dem zweiten piezoelektrischen System und der Membran (20) oder der Halterungsanordnung (79) angebracht sind und durch eine weitere elektrische Schaltung, die das dritte (102) und das vierte piezoelektrische System (104) so miteinander verbindet, daß sie sich in einer V/eise durchbiegen, um das erste und das zweite piezoelektrische System zu unterstützen»
5. 5_β Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurr .i gekennzeichnet, daß das Abstandsstück (67) drehbar mit den Kantenteilen des ersten und zweiten piezoelektrischen Systems verbunden ist, daß der Mittelteil des ersten piezoelektrischen Systems mit dem bewegbaren Teil (22) der Membran (29) gekoppelt ist und der Mitteltei" des zweiten piezoelektrischen Systems fest mit der Halteanordnung (79) verbunden ist.
6. 6. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung zwischen dem ersten System und dem bewegbaren Teil der Membran eine direkte "Verbindung ist.
7. 7. Vandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite piezoelektrische Sjebem Scheiben sind, und daß das Abstandsstück (66) einen Ring um jede Scheibe enthält, die durch im Abstand voneinander angeordnete flexible Glieder (67) zwischen den Ringen verbunden sind.