DE69730789T2

DE69730789T2 - Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler

Info

Publication number: DE69730789T2
Application number: DE69730789T
Authority: DE
Inventors: Kazuaki Nagaokakyo-shi Yamamoto; Hiroyuki Nagaokakyo-shi Inami; Shuho Nagaokakyo-shi Saito
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1996-07-29
Filing date: 1997-07-25
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2017-07-26
Also published as: EP0822537B1; EP0822537A3; DE69730789D1; CN1145923C; US5955821A; JP3123435B2; CN1177166A; JPH1051897A; EP0822537A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf piezoelektrische elektroakustische Wandler, die zur Verwendung als piezoelektrische Summer und dergleichen anpassbar sind, und insbesondere auf piezoelektrische elektroakustische Wandler, die eine piezoelektrische Membran umfassen, die eine verbesserte Struktur zum Verringern der Resonanzfrequenz des Wandlers aufweist.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ein herkömmlicher piezoelektrischer elektroakustischer Wandler ist beispielsweise in der veröffentlichten ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 52-24399 offenbart. Diese bekannte Vorrichtung umfasst eine piezoelektrische Membran, die durch ein erstes zylindrisches Gehäuse, das einen relativ größeren Durchmesser aufweist, und ein zweites zylindrisches Gehäuse, das einen relativ kleineren Durchmesser aufweist, getragen wird. Im Einzelnen erstreckt sich bei der bekannten Vorrichtung ein stufenartiger „Zwischen"-Abschnitt an einer Position, die einem vertikalen Mittelpunkt der Innenwandoberfläche des ersten zylindrischen Gehäuses entspricht, umfangsmäßig entlang derselben, was bewirkt, dass die piezoelektrische Membran an ihrem peripheren Abschnitt zwischen dem stufenartigen Zwischenabschnitt und der Abschlusskante des ersten und des zweiten zylindrischen Gehäuses angeordnet ist, wodurch ein starrer Träger für die piezoelektrische Membran bereitgestellt wird.
Ungünstigerweise weist ein derartiger piezoelektrischer elektroakustischer Wandler des Typs, wie er in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 52-24399 offenbart ist, ein Problem auf. Da die piezoelektrische Membran entlang ihres gesamten Umfangs an der peripheren Kante bzw. dem peripheren Rand derselben getragen wird, wird eventuell der Durchmesser der piezoelektrischen Membran erhöht oder alternativ ihre Dicke verringert, wenn ein Schalldruck, z. B. die Resonanzfrequenz, in einen noch niedrigeren Bereich verschoben werden muss.
Wenn der Durchmesser der piezoelektrischen Membran vergrößert wird, weist der sich ergebende piezoelektrische elektroakustische Wandler natürlich eine entsprechend vergrößerte Größe auf. Wenn die piezoelektrische Membran dünner gestaltet wird, ist es erforderlich, dass die Dicke der piezoelektrischen Keramikplatte, die die piezoelektrische Membran bildet, und/oder einer Metallplatte, an der die piezoelektrische Keramikplatte befestigt ist, verringert wird, was wiederum eine Schwierigkeit bei der Herstellung, einen Anstieg der Kosten und/oder eine Verringerung der Stabilität von Charakteristika mit sich bringt.
Ein weiterer bekannter piezoelektrischer elektroakustischer Wandler ist z. B. in der veröffentlichten ungeprüften japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 5-90594 offenbart, wobei dieser Wandler in der Lage ist, einen Spitzenschalldruck in einem viel niedrigeren Frequenzbereich zu erzielen, ohne dass der Durchmesser und/oder die Dicke der piezoelektrischen Membran modifiziert werden muss.
Bei dem piezoelektrischen elektroakustischen Wandler, der in der ungeprüften japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 5-90594 offenbart ist, wird eine scheibenförmige piezoelektrische Membran durch ein erstes zylindrisches Gehäuse und ein in das erste Gehäuse eingefügtes zweites zylindrisches Gehäuse getragen. Genauer gesagt wird die scheibenartige piezoelektrische Membran durch eine Kombination eines stufenartigen Zwischenabschnitts, der sich umfangsmäßig an der Innenwand des ersten zylindrischen Gehäuses erstreckt, und der Öffnungskantenoberfläche des zweiten zylindrischen Gehäuses getragen.
Um zu erzwingen, dass sich der akustische Scheitelpunkt zu der Seite der niedrigen Frequenz hin verschiebt, ist diese bekannte Vorrichtung mit weggeschnittenen Bereichen versehen, die an ausgewählten Stellen in dem ersten und dem zweiten zylindrischen Gehäuse gebildet sind, an denen die piezoelektrische Membran getragen wird. Derartige weggeschnittene Bereiche erlauben ein teilweises Tragen der piezoelektrischen Membran lediglich an einem Teil der Umfangskante entlang der Peripherie der piezoelektrischen Membran.
Gemäß der Beschreibung in der ungeprüften japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 5-90594 wurde erläutert, dass die Niedrigfrequenzverschiebung einer Schalldruckspitze bewerkstelligt werden kann, indem die piezoelektrische Membran an der Peripherie derselben teilweise getragen wird.
Ein Problem bei derartigen Vorrichtungen, wie sie in der ungeprüften japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 5-90594 gezeigt und beschrieben sind, besteht darin, dass die Anordnung der piezoelektrischen Membran relativ zu dem ersten und dem zweiten zylindrischen Gehäuse bewirkt, dass von der piezoelektrischen Membran Beanspruchungen an das erste und das zweite zylindrische Gehäuse übertragen werden. Die Bildung der weggeschnittenen Bereiche in dem ersten und dem zweiten zylindrischen Gehäuse bei gleichzeitiger Verringerung der Schalldruckspitze unterdrückt oder verhindert nicht die Übertragung von Beanspruchungen von der piezoelektrischen Membran an das erste und das zweite zylindrische Gehäuse.
Ein weiteres schwerwiegendes Problem, auf das man bei den bekannten Vorrichtungen stößt, besteht darin, dass sie auch bei der Verwendung einer derartigen teilweisen Trägerstruk tur einen Nachteil aufgrund des Vorhandenseins von Grenzen für eine derartige niedrige Frequenz des Schalldruckes aufweisen, die aus einer Verbesserung der Gehäusestruktur für einen mechanischen Träger der scheibenartigen piezoelektrischen Membran durch das erste und das zweite zylindrische Gehäuse resultieren. Mit anderen Worten kann der Wert der Resonanzfrequenz niemals einfach verringert werden, und es kann eine Grenze für jegliche weitere Verringerung der Resonanzfrequenz über einen bestimmten Wert hinaus vorliegen. Dies macht es unmöglich oder zumindest extrem schwierig, diese bekannte Struktur für manche Anwendungen einzusetzen, die unbedingt das Erzielen einer besonders niedrigen Resonanzfrequenz erfordern.
Ein weiterer Nachteil der in der ungeprüften japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 5-90594 offenbarten bekannten Struktur besteht darin, dass zum Erzielen einer derartigen teilweisen Stütze der piezoelektrischen Membran die Verwendung spezifischer Gehäusebauglieder einer spezifisch entworfenen Form erforderlich ist. Dies führt zu einem unerwünschten Anstieg der Herstellungskosten, da eine Vielzahl von Typen einzigartiger und speziell entworfener Gehäusebauglieder gemäß einem Zielwert der Resonanzfrequenz von Fall zu Fall hergestellt werden muss.
Die US 4,190,782 beschreibt einen elektroakustischen Wandler, bei dem eine piezoelektrische Membran an der äußeren Peripherie desselben getragen wird, indem sie zwischen zwei Gehäusebauglieder eingeklemmt wird. In der Mitte der piezoelektrischen Membran wird ein piezoelektrisches Erfassungsbauglied getragen. In der US 4,190,782 werden Versuche unternommen, um zu gewährleisten, dass die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers konstant ist und im Besonderen nicht durch Beanspruchungen beeinflusst wird, die von dem Gehäuse an das piezoelektrische Erfassungsbauglied übertragen werden. Zu diesem Zweck weist die piezoelektrische Membran der US 4,190,782 eine scheibenförmige Struktur auf.
Insbesondere ist das piezoelektrische Erfassungsbauglied bei der US 4,190,782 an einem flachen mittigen Abschnitt der Membran angebracht, ein zylinderförmiger Kopplungsabschnitt erstreckt sich von der Peripherie dieses kreisförmigen mittleren Abschnitts in einer axialen Richtung und ist an dem anderen Ende desselben mit einem ringförmigen Klemmabschnitt verbunden. Der sich axial erstreckende Kopplungsabschnitt ist vorgesehen, um eine Übertragung von Beanspruchungen von dem Gehäuse an das piezoelektrische Erfassungsbauglied zu verhindern. Die Flexibilität des Kopplungsabschnitts kann eingestellt werden, indem Schlitze oder Fenster in dem Kopplungsabschnitt vorgesehen werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um die oben erörterten Probleme zu überwinden, liefern die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler, der eine besonders niedrige Resonanzfrequenz erzielt, ohne dass eine Modifikation eines Durchmessers und einer Dicke der piezoelektrischen Membran notwendig wäre, und ferner ohne die Notwendigkeit, hierfür spezielle Gehäusebauglieder zu verwenden.
Gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist ein piezoelektrischer elektroakustischer Wandler vorgesehen, der folgende Merkmale aufweist: eine piezoelektrische Membran, die aus einer Metallplatte besteht, auf der eine piezoelektrische Keramikscheibe getragen ist, wobei die piezoelektrische Membran an der äußeren Peripherie derselben getragen ist; dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Membran ein planares Element ist, das an der äußeren Peripherie desselben Fensterabschnitte, Schlitze oder Lufträume und Vorsprünge zum Unterdrücken einer Umfangsübertragung einer Beanspruchung an der Periphe rie der piezoelektrischen Membran während einer Versorgung mit Energie aufweist.
Im Einzelnen unterdrücken oder eliminieren die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine Umfangsübertragung einer Beanspruchung an der Peripherie der piezoelektrischen Membran, um eine Verringerung der Resonanzfrequenz von piezoelektrischen elektroakustischen Wandlern des Typs zu erzielen, die eine piezoelektrische Membran aufweisen, die eine Metallplatte und eine piezoelektrische Keramikscheibe umfasst, die auf einer Oberfläche derselben angeordnet ist, wobei die Membran an der Peripherie derselben getragen ist. Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung umfasst die piezoelektrische Membran eine spezifische Beanspruchungsunterdrückungseinrichtung (besonders Fensterabschnitte, Schlitze oder Lufträume und Vorsprünge an der äußeren Peripherie derselben), um eine verlässliche Unterdrückung einer Umfangsübertragung von Beanspruchungen an der Peripherie der piezoelektrischen Membran zu erzielen. Dadurch, dass die Übertragung einer Beanspruchung an der Peripherie der piezoelektrischen Membran verhindert wird, bevor die Beanspruchung eine Gelegenheit hat, zu dem ersten oder dem zweiten Gehäuse zu wandern, wird die Resonanzfrequenz von piezoelektrischen elektroakustischen Wandlern beträchtlich verringert.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Beanspruchungsübertragungsunterdrückungseinrichtung vorzugsweise dadurch konfiguriert, dass die piezoelektrische Membran an der Peripherie derselben mit zumindest einem nichtgetragenen Abschnitt versehen ist.
Die Beanspruchungsübertragungsunterdrückungseinrichtung kann in der Tat verschiedene Arten von Konfigurationen aufweisen, die folgende umfassen, aber nicht auf diese beschränkt sind: eine Mehrzahl von lateral vorstehenden Ab schnitten, die an der Peripherie der piezoelektrischen Membran vorgesehen sind, wobei zwischen der Mehrzahl von vorstehenden Abschnitten ein Raum definiert ist. Alternativ kann die Beanspruchungsübertragungsunterdrückungseinrichtung Schlitze umfassen, die sich von der Peripherie der piezoelektrischen Membran zum Inneren derselben hin erstrecken. Als weitere Alternative kann die Beanspruchungsübertragungsunterdrückungseinrichtung einen oder mehrere Fensterabschnitte umfassen, die in der Nähe der piezoelektrischen Membran vorgesehen sind.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst der piezoelektrische elektroakustische Wandler ferner ein erstes und ein zweites Gehäusebauglied, die jeweils eine geschlossene Trägerebene aufweisen, wobei die piezoelektrische Membran derart zwischen den geschlossenen Trägerebenen des ersten und des zweiten Gehäusebauglieds angeordnet ist, dass die piezoelektrische Membran auf Grund der Diskontinuitäten in der äußeren Peripherie der piezoelektrischen Membran lediglich teilweise getragen wird.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das erste Gehäusebauglied ein erstes röhrenförmiges oder zylindrisches Gehäuse, das an der inneren Umfangsoberfläche desselben einen stufenartigen Abschnitt zum Bereitstellen der geschlossenen Trägerebene aufweist, wohingegen das zweite Gehäusebauglied ein in das erste Gehäusebauglied eingefügtes zweites zylindrisches Gehäuse ist und ferner eine Endoberfläche aufweist, die die geschlossene Trägerebene bildet.
Es ist zu beachten, dass das erste und das zweite zylindrische Gehäusebauglied nicht immer die zylindrische Form aufweisen müssen; alternativ dazu können sie auch andere Formen aufweisen, einschließlich rechteckiger, dreieckiger, parallelepiped- und anderer geometrischer röhrenförmiger Formen, die je nach der planaren Form der piezoelektrischen Membran ausgewählt sind.
Ferner sollte man beachten, dass die piezoelektrische Membran alternativ andere Formen als die scheibenartige Form aufweisen kann. Dementsprechend sollte das hierin für die piezoelektrische Membran verwendete Wort „Peripherie" nicht so verstanden werden, dass es ausschließlich die Umfangsperipherie einer derartigen scheibenartigen Membran benennt; es kann sich auch auf beliebige mögliche Formen von peripheren Kanten beziehen, z. B. diejenigen von rechteckigen oder quadratischen oder anderweitig geformten Membranen.
Ferner sollte man beachten, dass der hierin für die Trägerebenen des ersten und des zweiten Gehäusebauglieds verwendete Begriff „Form einer geschlossenen Schleife" nicht ausschließlich als die kreisförmige Schleife interpretiert werden sollte; alternativ kann er in bestimmten Situationen auch rechteckige Schleifen oder andere Formen bezeichnen.
Ferner sollten die Trägerebenen in Form einer geschlossenen Schleife nicht ausschließlich auf diejenigen beschränkt sein, die eine bestimmte Breite entlang der geschlossenen Schleife aufweisen, und Fachleute sollten erkennen, dass die Ebenen auch eine Anordnung umfassen können, bei der die piezoelektrische Membran unter Verwendung von Trägerebenen in Form geschlossener Schleifen, die im Wesentlichen keine Breiten aufweisen, strukturiert wird, um einen linearen Kontakt damit zu erzielen.
Diese und andere Elemente, Merkmale und Vorteile der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die beispielhaft präsentiert werden und in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, das einen Querschnitt eines piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Diagramm, das eine Unteransicht einer piezoelektrischen Membran zeigt, die in dem piezoelektrischen elektroakustischen Wandler des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels enthalten ist.
3 ist ein Diagramm, das eine piezoelektrische Membran mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen unterschiedlicher Formen an ihrer peripheren Kante veranschaulicht.
4 ist ein Diagramm, das eine Unteransicht einer piezoelektrischen Membran mit einer Beanspruchungsübertragungsunterdrückungseinrichtung zeigt, die eine Mehrzahl von Schlitzen, die in der Membran vorgesehen sind, umfasst.
5 ist ein Diagramm, das eine Unteransicht einer piezoelektrischen Membran mit einer Beanspruchungsübertragungsunterdrückungseinrichtung zeigt, die eine Mehrzahl von in der Membran gebildeten Fenstern umfasst.
6 ist ein Diagramm, das eine Unteransicht einer im Wesentlichen quadratischen piezoelektrischen Membran zeigt, an deren äußerer Peripherie mehrere Vorsprünge einer im Wesentlichen identischen Größe vorgesehen sind.
7 ist ein Diagramm, das eine Unteransicht einer quadratischen piezoelektrischen Membran mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen unterschiedlicher Größen, die an der äußeren Peripherie derselben vorgesehen sind, zeigt.
8 ist ein Graph, der Resonanzfrequenzcharakteristika des piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels veranschaulicht.
9 ist ein Graph, der Resonanzfrequenzcharakteristika eines bekannten Exemplars eines piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers zum Vergleich mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel darstellt.
10 ist ein Graph, der eine Beziehung der Anzahl mehrerer Vorsprünge gegenüber der Resonanzfrequenz zeigt.
11 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der eine piezoelektrische Membran aufweist, die durch ein Haftmittel getragen wird.
12 veranschaulicht einen Querschnitt einer Modifizierung des piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 ist ein Diagramm, das einen Längsquerschnitt eines piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Der piezoelektrische elektroakustische Wandler 1 umfasst ein erstes röhrenförmiges oder zylindrisches Gehäusebauglied 2, das einen relativ großen Durchmesser und eine Unterseite an einem Ende desselben aufweist, und ein zweites zylindrisches Gehäusebauglied 3, das einen relativ geringen Durchmesser und eine Unterseite aufweist. Das erste und das zweite zylindrische Gehäuse 2 und 3 können aus einem geeigneten Material hergestellt sein, einschließlich, aber nicht ausschließlich, eines synthetischen Harzes, Metall, Keramik oder dergleichen.
Das zylindrische Gehäuse 2 weist eine Öffnung 2a für eine Ausstrahlung von Schallwellen auf, wobei die Öffnung im Wesentlichen mittig in einer oberen Ebene desselben angeordnet ist. Das Gehäuse 2 weist ferner einen im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt 2b auf, der sich von der Peripherie der oberen Ebene nach unten erstreckt. Ein stufenartiger Abschnitt ist an einem ungefähren vertikalen Mittenabschnitt der Innenwand des Zylinders 2b derart vorgesehen, dass die untere Oberfläche dieser Stufe eine kreisförmige Geschlossene-Schleife-Trägerebene 2c bildet, die eine ringartige Trägerebene definiert. Ein umfangsmäßig verlängerter Ineingriffnahmeausnehmungsabschnitt 2d ist an einer bestimmten Position, die niedriger ist als die ringförmige Trägerebene 2c, an der Innenwand des Gehäuses 2 vorgesehen.
Dagegen weist das zylindrische Gehäuse 3 eine Öffnung 3a auf, die im Wesentlichen mittig in der unteren Platte desselben definiert ist. Diese Öffnung 3a dient dazu, zu ermöglichen, dass sich Anschlussleitungsdrähte 7, 8 durch dieselbe nach außen erstrecken. Die Anschlussleitungen 7, 8 dienen als Elektrodenpotenzialkopplungsvorrichtungen, wie später ausführlich beschrieben wird.
Ein im Wesentlichen zylindrischer Abschnitt 3b erstreckt sich von dem peripheren Kantenabschnitt der unteren Platte des zylindrischen Gehäuses 3 nach oben. Die Oberkante des aufgerichteten Zylinderabschnitts 3b bildet eine kreisförmige Geschlossene-Schleife-Trägerebene 3c, die eine ringförmige Trägerebene definiert. Ferner ist an dem vertikalen Mittenabschnitt des Zylinders 3b ein Ineingriffnahmevorsprung 3d angeordnet, um nach außen vorzuspringen. Dieser Vorsprung 3d ist zum Zweck einer starren Ineingriffnahme mit der Ausnehmung 2d, die an dem ersten zylindrischen Gehäuse 2 vorgesehen ist, vorgesehen.
Eine piezoelektrische Membran 4 umfasst vorzugsweise ein Laminierungsbauglied, das eine Metallplatte 5 aufweist, die vorzugsweise aus Messing, 42Ni-Fe-Legierung, Edelstahl oder dergleichen hergestellt ist, und eine piezoelektrische Keramikscheibe 6, die auf der unteren Oberfläche der Metallplatte 5 angeordnet ist. Die piezoelektrische Keramikscheibe 6 weist eine untere Oberfläche auf, auf der eine Elektrode (nicht gezeigt) gebildet ist. Die Anschlussleitung 7 ist mit der Elektrode auf der unteren Oberfläche der piezoelektrischen Keramikscheibe 6 elektrisch gekoppelt, wohingegen die Anschlussleitung 8 mit der unteren Oberfläche der Metallplatte 5 verbunden ist. Diese Anschlussleitungen 7, 8 bilden eine Elektrodenpotenzialkopplungsvorrichtung zum Anlegen einer Antriebsspannung über die Anschlussleitungen 7, 8, um dadurch die piezoelektrische Keramikscheibe 6 elektrisch anzuregen oder mit Energie zu versorgen, so dass die Keramikscheibe 6 zusammen mit der Metallplatte 5 schwingt.
Nebenbei bemerkt ist die piezoelektrische Membran 4 physisch derart so getragen, dass sie zwischen der ringartigen Trägerebene 2c des ersten zylindrischen Gehäuses 2 und der ringartigen Trägerebene 3c des zweiten zylindrischen Gehäuses 3 fest angebracht ist.
Ein Hauptmerkmal dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die piezoelektrische Membran 4 eine Beanspruchungsübertragungsunterdrückungseinrichtung umfasst, wie sie in einer Unteransicht der 2 gezeigt ist.
Wie aus 2 hervorgeht, weist die Metallplatte 5 der piezoelektrischen Membran 4 eine äußere periphere Kante auf, auf der eine Mehrzahl von Vorsprüngen 5a vorgesehen ist. Infolge dieser umfangsmäßigen Verteilung mehrerer beabstandeter Vorsprünge 5a an der äußeren Peripherie der Metallplatte 5 ist ein leerer Raum oder Luftraum zwischen benachbarten Vorsprüngen 5a zu definieren.
Bei dem veranschaulichenden bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die piezoelektrische Membran 4 an spezifischen Abschnitten, wo die mehreren Vorsprünge 5a vorgesehen sind, zwischen den ringartigen Trägerebenen 2c, 3c, die in 1 gezeigt sind, angebracht.
Dementsprechend wird die piezoelektrische Membran 4 an ausgewählten Punkten entlang ihrer äußeren Peripherie teilweise getragen; somit kann der Wert der Resonanzfrequenz auf ähnliche Weise wie im Fall eines piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers, wie er in dem ungeprüften japanischen Gebrauchsmuster, Veröffentlichungsnr. 5-90594, offenbart ist, verringert werden.
Da bei dem veranschaulichenden bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Raum als Beanspruchungsübertragungsunterdrückungseinrichtung an der piezoelektrischen Membran zwischen benachbarten der mehreren Vorsprünge 5a vorgesehen ist, sogar dort, wo während eines Treibens an der piezoelektrischen Membran 4 eine Beanspruchung auftritt, die in der Umfangsrichtung übertragen wird, wird es zusätzlich zu einer derartigen Verringerung der Resonanzfrequenz möglich, eine derartige Übertragung einer Beanspruchung zwischen Vorsprüngen 5a zu unterbrechen oder zu verhindern. Dies ermögliche eine Unterdrückung oder Eliminierung einer Umfangsübertragung jeglicher Beanspruchung an der piezoelektrischen Membran selbst, was ein Erzielen einer weiteren Verringerung der Resonanzfrequenz ermöglicht. Demgemäß ist es möglich, einen verbesserten piezoelektrischen elektroakustischen Wandler bereitzustellen, der im Vergleich zu dem bekannten piezoelektrischen elektroakustischen Wandler, wie er in dem ungeprüften japanischen Gebrauchsmuster, Veröffentlichungsnr. 5-90594, offenbart ist, eine weiter verringerte Resonanzfrequenz erzielt.
In 2 sollte man beachten, dass das Bezugszeichen „6a" eine Elektrode bezeichnet, die angeordnet ist, um einen bestimmten Zwischenraum an der Peripherie der unteren Oberfläche der piezoelektrischen Keramikscheibe 6 zu definieren.
Die Möglichkeit, die Resonanzfrequenz bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgreich zu verringern, wird in Verbindung mit manchen praktischen experimentellen Ergebnissen umfassender erläutert.
Ein experimentelles Exemplar der in 2 gezeigten piezoelektrischen Membran wurde erstellt und wies folgende Messungen auf: eine Höhe H von etwa 0,5 mm jedes der Mehrzahl von Vorsprüngen 5a; einen Durchmesser D von etwa 15 mm (d. h. der Durchmesser der Metallplatte 5, einschließlich der Oberkanten der Vorsprünge 5a); eine 0,1 mm betragende Dicke der Metallplatte 5; einen Durchmesser von etwa 9 mm der piezoelektrischen Keramikscheibe 6; und eine Dicke von etwa 0,08 mm der piezoelektrischen Keramikscheibe 6. Hier ist zu beachten, dass die Anzahl der mehreren Vorsprünge 5a entlang der Umfangsrichtung auf acht (8) eingestellt wurde, wie in 2 gezeigt ist.
Die piezoelektrische Membran 4 war zwischen dem ersten und dem zweiten zylindrischen Gehäuse 2, 3, die in 1 gezeigt ist, angeordnet, und wurde anschließend einer Messung der Resonanzfrequenz derselben unterzogen, wobei ein in dem Graphen der 8 präsentiertes experimentelles Ergebnis erhalten wurde, das demonstriert, dass die sich ergebende Resonanzfrequenz lediglich 3,76 kHz betrug.
Dagegen wurde ein weiteres Exemplar zum Vergleich vorbereitet, das dem oben beschriebenen ähnelte, wobei die mehreren Vorsprünge 5a weggelassen wurden und die Metallplatte durch eine Metallplatte einer Dicke von 15 mm ersetzt wurde. Dieses Exemplar wurde einer Messung der Resonanzfrequenz unterzogen, wobei ein in 9 gezeigtes Ergebnis erhalten wurde, das die Tatsache offenbart, dass die Mittenfrequenz eine Höhe von 4,69 kHz aufwies.
Folglich können Fachleute erkennen, dass das veranschaulichende bevorzugte Ausführungsbeispiel die Resonanzfrequenz um mindestens 20% verringert.
Was die Größe der mehreren Vorsprünge 5a, d. h. die Breite W und die Höhe H der Vorsprünge 5a sowie die Anzahl derselben angeht, ist zu beachten, dass dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel nicht ausschließlich auf die exemplarischen Werteinstellungen, die zuvor präsentiert wurden, beschränkt sein sollte. Diesbezüglich wurde überprüft, dass geeignete Einstellungen der Breite W, der Höhe H und der Anzahl eine erfolgreichere Verringerung der Resonanzfrequenz ermöglichen können.
Im Einzelnen wurde bei dem piezoelektrischen elektroakustischen Wandler mit den in 8 gezeigten Resonanzfrequenzcharakteristika eine ähnliche Resonanzfrequenzmessung durchgeführt, wobei die an der piezoelektrischen Membran vorgesehenen Vorsprünge 5a in einer anderen Anzahl vorlagen, wobei ein in 10 gezeigtes Ergebnis erhalten wurde. Wie aus dem Graphen der 10 hervorgeht, kann die Resonanzfrequenz weiter verringert oder gesenkt werden, indem bewirkt wird, dass die Anzahl der Vorsprünge von acht (8) auf vier (4) gesenkt wird. Man beachte jedoch, dass bevorzugt ist, dass die Anzahl der Projektionen n zwei (2) oder mehr beträgt. Wenn die Projektionsanzahl n kleiner als 2 ist, wird es sehr schwierig, die piezoelektrische Membran mechanisch zu tragen, was es wiederum schwierig macht, beabsichtigte Vorteile zu liefern.
Bezüglich der Breite W und der Höhe H sowie des Durchmessers D der in 2 gezeigten Metallplatte 5 kann es vorzuziehen sein, diese Elemente so zu entwerfen, dass sie die folgenden Gleichungen erfüllen: (1/24)πD ≤ W1 + W2 + W3 ... + Wn ≤ (1/2)πD, (1) (1/10)W ≤ H ≤ 2W. (2)
Zusätzlich können die Abstände zwischen den Vorsprüngen 5a dort, wo eine Mehrzahl von Vorsprüngen 5a vorgesehen ist, vorzugsweise gleich oder gleichmäßig sein; jedoch stellte man fest, dass die Abstände zwischen den Vorsprüngen 5a alternativ dazu uneinheitlich oder variabel sein können, wo dies nötig ist.
Wie in der Unteransicht der 3 gezeigt ist, können die mehreren Vorsprünge 5a beim Bilden derselben so konfiguriert sein, dass bestimmte Vorsprünge 5b, 5c verschiedener Größen vorgesehen sind.
Obwohl die Beanspruchungsübertragungsunterdrückungseinrichtung, wie sie an der piezoelektrischen Membran 4 vorgesehen ist, bei dem obigen bevorzugten Ausführungsbeispiel durch eine Mehrzahl von Vorsprüngen 5a gebildet ist, kann dies überdies derart modifiziert werden, dass eine Mehrzahl von Schlitzen 11a vorgesehen ist, die sich jeweils von der äußeren Umfangsperipherie der Metallplatte 5 zu der Mitte derselben erstrecken, wie in einer Unteransicht der 4 gezeigt ist, wodurch die Beanspruchungsübertragungsunterdrückungseinrichtung gebildet wird. Desgleichen sind, wie in 5 gezeigt ist, mehrere Fensterabschnitte 12 in der Nähe der äußeren Umfangskante der Metallplatte zum Definie ren der Beanspruchungsübertragungsunterdrückungseinrichtung vorgesehen.
Mit anderen Worten sollte die Beanspruchungsübertragungsunterdrückungseinrichtung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung insofern nicht ausschließlich auf eines der veranschaulichten bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt sein, als sie eine Fähigkeit bieten kann, eine Übertragung einer Beanspruchung in der Umfangsrichtung der Metallplatte während der Aktivierung des piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers zu unterbrechen oder zu unterdrücken; die Unterdrückungseinrichtung kann frei modifiziert werden, um die in 4 gezeigten Schlitze 11a oder die in 12 gezeigten Fenster 12 einzusetzen, wenn es angebracht ist.
Obwohl die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele entworfen sind, um die piezoelektrische Membran 4 zu verwenden, die vorzugsweise eine im Wesentlichen kreisförmige planare Form aufweist, kann diese Membran alternativ dazu ferner eine rechteckige Form aufweisen, wie in 6 und 7 gezeigt ist. Bei einer piezoelektrischen Membran 13 der 6 wird eine im Wesentlichen quadratische Metallplatte 14 für dieselbe verwendet, wobei eine Mehrzahl von Vorsprüngen 14a einer gleichen Größe an der Peripherie der Metallplatte 14 vorgesehen ist, um die Beanspruchungsübertragungsunterdrückungseinrichtung zu definieren. Alternativ dazu wird mit der piezoelektrischen Membran der 7 eine im Wesentlichen quadratisch geformte Metallplatte 15 mit mehreren Vorsprüngen 15a, 15b unterschiedlicher Größen, die an der Peripherie derselben vorgesehen sind, verwendet.
Bei diesen Metallplatten 14, 15 können statt der mehreren Vorsprünge auch Schlitze oder Fenster gebildet sein, um die Beanspruchungsübertragungsunterdrückungseinrichtung zu bilden.
Ferner kann die planare Form derartiger piezoelektrischer Membranen im Wesentlichen rechteckig oder hexagonal sein, im Gegensatz zu den im Wesentlichen kreisförmigen oder quadratischen Formen.
In Bezug auf das erste und das zweite zylindrische Gehäusebauglied zum Tragen einer zugeordneten piezoelektrischen Membran können diese Bauglieder desgleichen in einer Anordnung modifiziert sein, um eine beliebige geeignete Form aufzuweisen, die mit der Form einer verwendeten piezoelektrischen Membran übereinstimmt. Beispielsweise können im Fall des Tragens der piezoelektrischen Membran 13 der 6 statt der ringartigen Trägerebenen 2c, 3c (siehe 1) im Wesentlichen rechteckige Gehäusebauglieder mit im Wesentlichen rechteckigen Trägerebenen in Form einer geschlossenen Schleife verwendet werden.
Des Weiteren wird die piezoelektrische Membran 4 bei dem piezoelektrischen elektroakustischen Wandler der 1 derart getragen, dass sie zwischen den zylindrischen Gehäusen 2, 3 als dem ersten und dem zweiten Gehäusebauglied an der Peripherie der Membran 4 angeordnet ist; jedoch können hierfür zum steifen Tragen der piezoelektrischen Membran an der Peripherie derselben auch andere geeignete Trägerstrukturen alternativ in der Struktur verwendet werden. Eine beispielhafte Konfiguration ist in 11 gezeigt, bei der ein zylindrisches Gehäuse 21 an seiner Zwischenhöheposition einen stufenartigen Abschnitt aufweist, um eine Trägerebene 21a in Form einer geschlossenen Schleife zu definieren, was bewirkt, dass die piezoelektrische Membran 4 unter Verwendung eines Haftmittels 22 starr an die Trägerebene 21a der Form der geschlossenen Schleife angebracht wird. Auch in diesem Fall wird die piezoelektrische Membran 4 durch das Haftmittel 22 angehaftet und lediglich an ausgewählten Abschnitten, die den zuvor erwähnten mehreren Vorsprüngen 5a entsprechen, befestigt. Dementsprechend kann die Resonanzfrequenz auf ähnliche Weise wie in dem Fall des in 1 gezeigten piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers 1 verringert werden.
Ferner sollte man beachten, dass, obwohl die Anschlussleitungsdrähte 7, 8 bei dem in 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel die Elektrodenpotenzialkopplervorrichtung bilden, dies derart modifiziert werden kann, dass, wie in 12 gezeigt ist, federartige elastische Anschlussleitungsdrähte 23, 24 verwendet werden können und angeordnet werden können, um mit ausgewählten Abschnitten der Metallplatte 5 bzw. der piezoelektrischen Keramikscheibe 6 elektrisch gekoppelt zu sein, um eine elektrische Verbindung mit entsprechenden Elektrodenanschlussflächen oder -anschlüssen derselben zu erzielen.
Es wurde beschrieben, dass die piezoelektrischen elektroakustischen Wandler gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine Umfangsübertragung einer Beanspruchung, die während elektrischer Treiberoperationen möglicherweise an der Peripherie derselben auftritt, erfolgreich unterdrücken oder eliminieren, und zwar auf Grund der Tatsache, dass sie angeordnet sind, um eine spezifische Beanspruchungsübertragungsunterdrückungseinrichtung für die piezoelektrische Membran zusätzlich zu der Umfangsträgerstruktur für die piezoelektrische Membran an ihrer äußeren Peripherie zu verwenden. Eine Kombination des teilweisen Tragens der piezoelektrischen Membran an ihrer Peripherie und der Funktion der Beanspruchungsübertragungsunterdrückungseinrichtung ermöglicht vorteilhafterweise, dass die Resonanzfrequenz im Vergleich zu bekannten piezoelektri schen elektroakustischen Wandlern zu viel niedrigeren Frequenzen verschoben wird. Da das obige gewünschte Ergebnis erzielbar ist, indem die Beanspruchungsübertragungsunterdrückungseinrichtung zu der piezoelektrischen Membran hinzugefügt wird, ist es überdies unnötig, etwaige zusätzliche Teile oder Komponenten zum Tragen der piezoelektrischen Membran an der Seite einer derartigen Trägerstruktur vorzusehen, einschließlich einer Spezialstruktur für die Gehäusebauglieder oder dergleichen. Dies ermöglicht die Bereitstellung eines piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers einer besonders niedrigen Resonanzfrequenz, während eine Verwendung herkömmlicher Gehäusebauglieder ermöglicht wird, ohne die Herstellungskosten von piezoelektrischen elektroakustischen Wandlern erhöhen zu müssen.
Ein weiterer bedeutender Vorteil der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass dort, wo die Beanspruchungsübertragungsunterdrückungseinrichtung durch Bereitstellen einer Mehrzahl von Vorsprüngen gebildet wird, jegliche beabsichtigte piezoelektrische Membran, die die Beanspruchungsübertragungsunterdrückungseinrichtung aufweist, ohne weiteres mit einer bloßen Modifizierung oder Änderung der vorhandenen Metallform oder Schneidflächen zur Verwendung beim Pressformen von Metallplatten für piezoelektrische Membranen einer gewünschten planaren Form oder eines gewünschten planaren Musters angeordnet werden kann.
Sogar dort, wo die Beanspruchungsübertragungsunterdrückungseinrichtung durch eine Verwendung von Schlitzen gebildet werden soll, kann eine Bildung von derartigen Schlitzen desgleichen ohne weiteres erreicht werden, indem Schlitze unter Verwendung von Schneidflächen bei auf herkömmliche Weise hergestellten Metallplatten gebildet wer den, die jeweils zur Verwendung als piezoelektrische Membran dienen.
Ferner werden in einem Fall, wo die Beanspruchungsübertragungsunterdrückungseinrichtung auch durch die Verwendung der Fenster gebildet wird, die erforderlichen Herstellungsschritte auf Grund der Möglichkeit eines Pressformens einer Metallplatte, um die piezoelektrische Membran und die Fenster in derselben gleichzeitig zu bilden, nicht mehr erhöht.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit spezifischen bevorzugten Ausführungsbeispielen derselben beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass Fachleuten angesichts der vorstehenden Beschreibung viele Veränderungen, Modifikationen und Variationen einleuchten werden. Dementsprechend ist beabsichtigt, alle derartigen Änderungen, Modifikationen und Variationen in die beigefügten Patentansprüche aufzunehmen.
Obwohl die Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele derselben gezeigt und beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass die vorstehenden und andere Änderungen in Bezug auf Form und Einzelheiten an derselben vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung, wie er in den Patentansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

Ein piezoelektrischer elektroakustischer Wandler, der folgende Merkmale aufweist: eine piezoelektrische Membran (4), die aus einer Metallplatte (5) besteht, auf der eine piezoelektrische Keramikscheibe (6) getragen ist, wobei die piezoelektrische Membran (4) an der äußeren Peripherie derselben getragen ist; dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Membran (4) ein planares Element ist, das an der äußeren Peripherie desselben Fensterabschnitte, Schlitze oder Lufträume und Vorsprünge zum Unterdrücken einer Umfangsübertragung einer Beanspruchung an der Peripherie der piezoelektrischen Membran (4) während einer Versorgung mit Energie aufweist.
Der piezoelektrische elektroakustische Wandler gemäß Anspruch 1, bei dem die piezoelektrische Membran (4) zumindest einen nicht getragenen Abschnitt aufweist, der an der äußeren Peripherie derselben angeordnet ist.
Der piezoelektrische elektroakustische Wandler gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die piezoelektrische Membran (4) eine Mehrzahl von lateral vorspringenden Abschnitten (5a) aufweist, die derart an der äußeren Peripherie derselben angeordnet sind, dass ein Raum zwischen benachbarten der Mehrzahl von vorspringenden Abschnitten definiert ist.
Der piezoelektrische elektroakustische Wandler gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die piezoelektrische Memb ran eine Mehrzahl von Schlitzen (11a) aufweist, die sich von der Peripherie zu einem Innenabschnitt derselben erstrecken.
Der piezoelektrische elektroakustische Wandler gemäß Anspruch 1, bei dem die piezoelektrische Membran zumindest einen Fensterabschnitt (12) aufweist, der in der Nähe der Peripherie derselben angeordnet ist.
Der piezoelektrische elektroakustische Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, der ferner folgende Merkmale aufweist: ein erstes (2) und ein zweites (3) Gehäusebauglied, die jeweils eine geschlossene Trägerebene aufweisen; und bei dem die piezoelektrische Membran (4) zwischen den geschlossenen Trägerebenen des ersten und des zweiten Gehäusebauglieds (2, 3) angeordnet ist, derart, dass die piezoelektrische Membran aufgrund der Fensterabschnitte, Schlitze oder Lufträume und Vorsprünge an der äußeren Peripherie der piezoelektrischen Membran lediglich teilweise getragen ist.
Der piezoelektrische elektroakustische Wandler gemäß Anspruch 6, bei dem das erste Gehäusebauglied (2) ein erstes Gehäuse ist, das einen an einer inneren Umfangsoberfläche desselben angeordneten Stufenabschnitt (2c) zum Bereitstellen der geschlossenen Trägerebene aufweist und bei dem das zweite Gehäusebauglied (3) ein zweites Gehäuse ist, das in das erste Gehäusebauglied eingeführt ist und das eine Endoberfläche (3c) aufweist, die die geschlossene Trägerebene bildet.