DE1140602A - Sobel Whitestone Long Island und Edward Lessmg Dobbs Ferry (V St A) I Piezoelektrischer Schwmgungswandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft piezoelektrische Schwingungswandler von der Art, wie sie in Tonfrequenzanlagen zur Umwandlung von Tonfrequenzschwingungen in entsprechende elektrische Signale oder umgekehrt verwendet werden. Gleichwohl kann die Erfindung auch auf Wandler angewendet werden, die in irgendwelchen anderen Frequenzbereichen arbeiten.

In vielen Anwendungen müssen die piezoelektrischen Schwingungswandler von der Form eines länglichen Balkens in zwei in Längsrichtung voneinander entfernten Voreinstellungs- oder Klemmzonen eingeklemmt werden, damit sie auf Grund dessen in der gewünschten Weise schwingen. So ist es bei Mikrophonen, die für optimale Empfindlichkeit ausgelegt sind, wünschenswert, die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Wandlers beträchtlich unterhalb der oberen Frequenzgrenze des Frequenzbereiches solcher Mikrophone festzulegen, beispielsweise etwa 1 bis IV2 Oktaven unterhalb der höchsten Frequenz des Bereiches. Andererseits kann bei Mikrophonen, die über einen vorherbestimmten Frequenzbereich eine flache Frequenzcharakteristik aufweisen sollen und falls auf die Empfindlichkeit des Mikrophons verzichtet werden kann, die Resonanzfrequenz des Wandlers näher der oberen Grenze des erwünschten Frequenzbereiches festgelegt werden. Bisher wurden piezoelektrische Wandler dieses Typs in zwei voneinander entfernten Zonen mittels getrennter Sätze elastischer Klemmglieder eingeklemmt, und der Zusammenbau solcher vollständiger piezoelektrischer Wandler erforderte eine genaue Anordnung der zwei Klemmglieder an den in Abstand genau festgelegten Längszonen des piezoelektrischen Wandlers. Infolgedessen bereitete die Massenherstellung von elektroakustischen Wandlervorrichtungen, die mit solchen piezoelektrischen Wandlern ausgerüstet sind, Schwierigkeiten, da hinsichtlich der Lage der zwei in Abstand angeordneten Klemmglieder Abweichungen auftreten und dementsprechend die Arbeitscharakteristiken der fertig zusammengebauten Vorrichtungen nicht gleichförmig sind.

Ein Ziel der Erfindung ist die Vereinfachung der Herstellung von elektromechanischen Wandlervorrichtungen, die mit solchen eingeklemmten piezoelektrischen Wandlern arbeiten, sowie die Sicherstellung eines wesentlich höheren Grades von Gleichförmigkeit ihrer Betriebskennlinien, wenn sie auf der Grundlage einer Massenproduktion hergestellt werden.

Die erfindungsgemäße mechanisch-elektrische Wandleranordnung ist zu diesem Zweck gekennzeichnet durch einen langgestreckten, stabförmigen, piezoelektrischen Wandlerkörper, der entgegengesetzt ge-

Piezoelektrischer Schwingungswandler

Anmelder:

Sonotone Corporation,
Elmsford, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. E.Prinz

und Dr. rer. nat. G. Hauser, Patentanwälte,

München-Pasing, Bodenseestr. 3 a

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 1. April 1959 (Nr. 803 475)

Ilyitch J. Sobel, Whitestone, Long Island,

und Edward Lessing, Dobbs Ferry (V. St. Α.),

sind als Erfinder genannt worden

richtete Oberflächen aufweist, von denen Teile mit Elektroden zum Abnehmen/Anlegen der elektrischen Signale von dem/an den Wandlerkörper in Berührung stehen und der an zwei in seiner Längsrichtung im Abstand befindlichen Stellen eingespannt ist, und durch eine Vorrichtung zum Einspannen des Wandlerkörpers, bestehend aus einem elastomeren Klemmteil mit einem in Längsrichtung verlaufenden hohlen Innenraum, der den Wandlerkörper aufnimmt, und von gegenüberliegenden Teilen der Wandung des Innenraumes nach innen vorragenden Klemmbackenpaaren, die einen dem gewünschten Abstand der Einspannstellen des Wandlerkörpers entsprechenden gegenseitigen Abstand in Längsrichtung aufweisen, an den entgegengesetzten Oberflächen des Wandlerkörpers angreifen und diesen zwischen sich mit Abstand von der Innenraumwandung festhalten, sowie aus einem starren Halteteil mit einer Ausnehmung zur Aufnahme des elastomeren Klemmteiles, die so ausgebildet ist, daß der in sie eingeschobene Klemmteil von dem starren Halteteil an den Stellen, an denen die Klemmbacken angeordnet sind, zusammengepreßt wird und dabei die Klemmbacken gegen den Wandlerkörper gedrückt werden.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. In dieser zeigt

Fig. 1 eine vertikale Querschnittsansicht einer Mikrophon-Wandlervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

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Fig. 2 eine Querschnittsansicht entlang Linie 2-2 von Fig. 1,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht entlang Linie 3-3 von Fig. 1,

Fig. 4 eine vertikale Querschnittsansicht der inneren Wandleranordnung entlang Linie 4-4 von Fig. 2,

Fig. 5 eine Seitenansicht der Wandleranordnung nach Fig. 4, und zwar in Fig. 4 von links,

Fig. 6 eine Oberansicht der Wandleranordnung, wie sie sich in Fig. 4 darstellt,

Fig. 7 eine Ansicht der Einzelteile der auseinandergenommenen Wandleranordnung nach den Fig. 4 bis 6.

Obgleich piezoelektrische Wandlervorrichtungen gemäß der Erfindung in jeder der verschiedenen bekannten Wandlervorrichtungen für Hörfrequenzen und Überschallfrequenzen und auch in anderen Anwendungen zur Verwendung kommen können, soll sie im Zusammenhang mit einem hochwertigen Mikrophon beschrieben werden, einem Mikrophon von einer Bauart, wie sie gewöhnlich in klanggetreuen Tonfrequenzsystemen, die in einem Frequenzbereich bis zu etwa 13 000 Hz ein gleichförmiges Frequenzverhalten aufweisen, verwendet wird.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein Mikrophon, das darauf eingerichtet ist, akustisch übermittelte Schallsignale aufzunehmen und sie in entsprechende elektrische Signale umzuwandeln. Jedoch kann der elektroakustische Wandler eines solchen Mikrophons auch 3<> elektrische Signale, die an den Elektroden seines piezoelektrischen Wandlers eingeprägt werden, in entsprechende akustische Leistung umwandeln.

Das dargestellte Mikrophon arbeitet mit einem gewöhnlichen piezoelektrischen Wandler 21 von länglicher Gestalt (Fig. 4 bis 7). Der Wandler 21 kann aus zwei streifenartigen keramischen piezoelektrischen Wandlerelementen gebildet werden, die an entgegengesetzten Seiten an ein mittleres Metallblatt angelötet sind und damit eine im allgemeinen längliche zweischichtige piezoelektrische Vorrichtung bilden, welche, wenn sie quer zu den beiden äußeren größeren Elektrodenflächen 22 gebeugt oder gedruckt wird, Spannungen erzeugt, die den Elektroden aufgeprägt werden. Die piezoelektrische Wandlervorrichtung braucht nicht aus zwei keramischen Schichten zusammengesetzt zu sein, die zwei gegenüberliegenden keramischen Elemente eines solchen · Wandlers können auch zwei Abschnitte eines zusammenhängenden einstückigen keramischen Körpers sein, 5<> der zwei einander gegenüberliegende Körperabschnitte mit an entgegengesetzten Seiten liegenden äußeren Elektrodenflächen 22 hat, wobei die zugrunde liegenden zwei Abschnitte des Keramikkörpers differentiell elektrisch vorgespannt sind, damit sie Spannungen erzeugen, wenn der Wandler 21 in einer Richtung quer zu seinen Elektrodenflächen gebeugt oder belastet wird.

Der dargestellte piezoelektrische Wandler 21 hat an seinen äußeren Elektrodenflächen 22 metallische Oberflächenelektroden.

Ein Mikrophon der hier beschriebenen Bauart kann darauf ausgelegt sein, in einem weiten Tonfrequenzbereich, z. B. zwischen 30 und 13 000 Hz, ein im wesentlichen gleichförmiges Frequenzvefhalten aufzuweisen. Dies macht es nun erforderlich, daß der keramische Wandler 21 eine Resonanzfrequenz von etwa 4500 Hz hat. Hierzu ist es notwendig, daß der keramische Wandler 21 in seinen zwei in Abstand voneinander befindlichen Klemmzonen durch zwei in Abstand angeordnete Klemmkörper so festgeklemmt gehalten wird, daß die Schwingungszone des piezoelektrischen Wandlers, die sich zwischen den zwei Klemmzonen des Wandlers und darüber hinaus erstreckt, bei der Resonanzfrequenz erwünschter Höhe schwingt.

Erfindungsgemäß werden piezoelektrische mechanisch-elektrische Wandlervorrichtungen auf der Basis einer Massenproduktion dadurch mit einem höheren Grad von Gleichförmigkeit in den Betriebskennlinien hergestellt, als dies bislang möglich war, daß ihre piezoelektrischen Schwingungswandler mit einem einstückigen Klemmkörper aus elastomerem Material versehen werden. Diese haben zwei Sätze von in Abstand befindlichen, zum gleichen Stück gehörenden Klemmabschnitten, die gegen in Längsabstand befindliche äußere Oberflächenabschnitte von zwei in Abstand befindlichen Klemmzonen des piezoelektrischen Wandlers geklemmt werden, damit in den eingeklemmten Wandlerzonen eine Bewegung unterbunden wird, während die dazwischenliegenden und irgendwelche andere Schwingungszonen desselben von einer Klemmung frei bleiben und in der Resonanzfrequenz erwünschter Höhe frei schwingen können.

In der dargestellten Vorrichtung bildet der Wandler 21 einen Teil einer Wandleranordnung, die allgemein mit 20 bezeichnet ist. Sie enthält einen elastomeren Klemmkörper 30 und eine starre Befestigungsvorrichtung oder einen Halteteil 40, welche dazu dienen, den Wandler 21 in seiner Arbeitslage, in der er schwingen kann, innerhalb der starren Befestigungsvorrichtung festzuhalten. Der elastomere Klemmkörper 30 kann aus einem elastischen, gummiartigen organischen festen Material, wie etwa einer Vinylchloridverbindung od. dgl., hergestellt werden, einem Material, das genügend Weichmacher enthält, daß es für einen festen elastischen elastomeren Körper verwendet werden kann, von dem Teile gegen die gegenüberliegenden Flächenabschnitte des piezoelektrischen Wandlers 21 zur Verhinderung einer Bewegung an diesen Stellen geklemmt werden können, ohne daß dies zu einem Bruch des relativ zerbrechlichen piezoelektrischen Körpers eines solchen Wandlers führt. Bei der dargestellten Ausführungsform hat der elastomere Klemmkörper 30 einen hohlen Innenraum 31, innerhalb welchem hinsichtlich der axialen Länge ein wesentlicher Teil des Wandlers 21 frei schwingen kann. Der einstückige elastomere Klemmkörper 30 hat einen mittleren Verbindungsabschnitt, welcher in keiner Klemmverbindung zur mittleren Schwingungszone 25 des Wandlers steht, und er hat an jedem seiner zwei entgegengesetzten Enden je einen Satz von zwei gegenüberliegenden Klemmbacken 32 bzw. 33. Diese werden in Klemmverbindung mit den zwei eingeklemmten Wandlerzonen gehalten, die dadurch zur Verhinderung einer Schwingungsbewegung umfaßt werden, während die dazwischenliegende Schwingungszone 25 des Wandlers frei bleibt und somit schwingen kann. So entsteht ein geeigneter freier Zwischenraum zwischen den nach innen gerichteten Flächen des mittleren Verbindungsabschnitts des elastomeren Klemmkörpers 30 und den gegenüberliegenden Flächen 22 wie auch den Seitenkanten der frei schwingenden mittleren Wandlerzone 25, die entlang der größeren Länge des hohlen Innen-

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raumes 31 des den Wandler einklemmenden elasto- stehenden federnden Klemmbacken 32 in eine

meren Klemmkörpers 30 verläuft. Klemmverbindung unter den in weiterem Abstand zu-

Die starre Befestigungsvorrichtung 40 kann aus einander befindlichen Klemmwandabschnitten 42 der irgendeinem harten, starren Material hergestellt wer- starren Befestigungsvorrichtung 40 gezwängt wird, den. In der gezeigten Ausführungsform ist die Be- 5 Dadurch wird die Betriebsanordnung des Wandlers 21 festigungsvorrichtung 40 aus einem harten Kunstharz und des elastomeren Klemmkörpers 30 in präzis gehergestellt und hat hinreichende Festigkeit, um einer nauen Klemmlagen innerhalb der starren Befesti-Verformung zu widerstehen und starke Befestigungs- gungsvorrichtung 40 vervollständigt,
kräfte aufzunehmen, wodurch der Wandler 21 mit Erfindungsgemäß gehören zu der selbsttragenden seinem elastischen Klemmkörper 30 relativ zu den io Wandleranordnung der oben beschriebenen Bauart anderen Elementen des Mikrophons in seiner zwei streifenartige Metallklemmen. Diese sind so aus-Arbeitsstellung festgehalten wird. Die starre Befesti- gebildet, daß sie gegen die Elektroden des piezoelekgungsvorrichtung ist nach der Darstellung mit einem trischen Wandlers geklemmt gehalten werden. Sie hohlen inneren Befestigungsraum oder einer Ausneh- haben herausragende äußere Klemmabschnitte, mitmung 41 versehen, der entsprechend ausgeformt ist, 15 tels welcher äußere Stromkreise mit den Elektroden daß er den länglichen elastomeren Klemmkörper 30 der Wandlervorrichtung 21 verbunden werden mit seinem Wandler 21 aufnehmen und in geeigneter können. In der dargestellten Ausführungsform hat die Betriebslage festhalten kann. An einem Ende seines Wandleranordnung 20 zwei Klemmen 51, 55, die beihohlen inneren Befestigungsraumes 41 hat die Be- spielsweise aus einem elektrisch leitenden Blech, festigungsvorrichtung 40 einen Satz von gegenüber- 20 welches, wie z. B. Messing, auch elastisch ist, herliegenden starren Klemmwänden 42, die voneinander gestellt sind. Jede der Klemmen 51, 55 hat einen Bein einem Klemmabstand hinreichend geringer Höhe festigungsarm 52 bzw. 57, die durch eine Abschräangeordnet sind, daß sie die umfaßten elastomeren gung der Kanten so bemessen sind, daß sie zwischen Klemmbacken 32 zusammengedrückt und gegen eine die abgeschrägten Innenflächen des hohlen Innenumfaßte, geklemmte Wandlerzone 24 geklemmt 25 raumes 41 der starren Befestigungsvorrichtung 40 halten können, damit jede Schwingungsbewegung der- passen. Die zwei Befestigungsarme 52, 57 sind so anselben unterbunden wird. Am entgegengesetzten Ende gebracht, daß sie in fester Stellung zwischen den seitihres hohlen Innenraumes 41 hat die Befestigungs- lieh gerichteten Außenflächen der Seitenwände 35 des Vorrichtung 40 einen weiteren Satz von gegenüber- elastomeren Klemmkörpers 30 (Fig. 3 bis 7) und den liegenden starren Klemmwänden 43, welche vonein- 3° nach innen gerichteten Flächen der Seitenwände der ander um einen Klemmabstand entfernt sind, der von einstückigen starren Befestigungsvorrichtung 40 gehinreichend geringer Höhe ist, daß die umfaßten halten werden. Jeder Befestigungsarm 52 bzw. 57 der federnden Klemmbacken 33 zusammengedrückt und Klemmen hat eine seitlich vorstehende flache Kongegen die andere umfaßte, eingeklemmte Wandler- taktzunge 53 bzw. 58, die aus einem Teil des betrefzone 24 geklemmt gehalten werden, damit jegliche 35 fenden Befestigungsarmes 52 bzw. 57 geformt ist, Schwingungsbewegung vermieden wird. z. B. durch Einschneiden und Umbiegen. Die zwei

Erfindungsgemäß ist die Höhe des Klemmzwischen- Kontaktzungen 53 und 58 der Klemmen werden raumes zwischen dem Satz fester Klemmwände oder zwischen den darunterliegenden äußeren Elektroden-Preßflächen 42 größer als die Höhe des Klemm- flächenabschnitten 22 der Endzonen des piezoelekzwischenraumes zwischen dem anderen Satz von 40 trischen Wandlers 21 und den darüberliegenden Klemmwandabschnitten oder Preßflächen 43. Außer- Klemmbacken 33 des elastomeren Klemmkörpers in dem ist der hohle Befestigungszwischenraum 41 der ihren Betriebslagen festgeklemmt. Dabei werden die Befestigungsvorrichtung über die ganze Länge rechts Klemmbacken 33 ihrerseits von den darüberliegenden von den Klemmwandabschnitten 43 (Fig. 4) hin- starren Klemmwandabschnitten 43 der starren Bereichend weiter, als der elastomere Körper links von 45 festigungsvorrichtung 40 gegen die Kontaktzungen 53 seinen Klemmwandabschnitten 32 dick ist, damit das bzw. 58 geklemmt.

engere Ende des elastomeren Klemmkörpers 30 in Die Seitenwände 35 des elastomeren Klemmkörpers den Klemmzwischenraum 41 frei eingeführt werden 30 sind mit Ausschnitten 36 (Fig. 5 und 7) versehen, kann, bis das engere linke Ende des elastomeren Durch diese laufen die zur Seite gebogenen Kontakt-Klemmwandabschnitts 33 den Klemmzwischenraum 50 zungen 53 und 58 der zwei Klemmen 51 bzw. 55 hinzwischen den starren Klemmwandabschnitten 43 der durch und greifen an den darunterliegenden Elek-Befestigungsvorrichtung 40 erreicht. Diese Anord- trodenflächenabschnitten 22 des piezoelektrischen nung ermöglicht ein freies und bequemes Einführen Wandlers 21 an. Jede der zwei Klemmen 51 und 55 des engeren Endes des elastomeren Klemmkörpers 30 hat auch einen seitlich vorstehenden Zinken 54 bzw. mit dem Wandler 21 und seinen angesetzten Klem- 55 59. Diese stehen so nach außen, daß sie in eine gemen 51 bzw. 55 in die hohle Befestigungsvorrichtung eignete Klemmfassung des zugehörigen äußeren 40 durch den weiteren Zwischenraum zwischen seinen Stromkreises, mit dem sie trennbar verbunden sind, starren Klemmwandabschnitten 42 und ermöglicht eingesteckt werden können.

weiterhin ein freies Hineinschieben der elastomeren In der dargestellten Ausführungsform bilden die

Klemmkörperanordnung gegen den engeren Zwischen- ^6o starren Klemmwandabschnitten 42, 43, welche unter

raum des anderen Satzes fester Klemmwand- den unteren Wänden des einstückigen elastomeren

abschnitte 43 der starren Befestigungsvorrichtung 40. Klemmkörpers 30 liegen, einen Teil einer starren

Darauf werden die in engerem Abstand zueinander Grundwand 44. Diese ist fest gegen eine Wand des

stehenden vorderen elastomeren Klemmbacken 33 in Gehäuses 60 gesetzt und mit einem dickeren Grund-

ihre Klemmlage zwischen den in engerem Abstand 65 wandabschnitt 45 versehen, der so geformt ist, daß

befindlichen starren Klemmwandabschnitten 43 der er in eine Öffnung 61 des Gehäuses 60, in welchem

Befestigungsvorrichtung 40 gezwängt, während der die Wandleranordnung 20 für den Betrieb eingebaut

andere Satz der in weiterem Abstand zueinander wird, hineinpaßt und in ihr festgemacht wird. In der

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gezeigten Ausführungsform hat der dickere Grund- tische Anschläge, welche die Einwärtsbewegung des wandabschnitt 45 kreisförmige Gestalt, und er hat aus dem Wandler 21, dem elastomeren Klemmkörper einen Richtung gebenden Vorsprung 45-1, welcher 30 und den zwei Klemmen 51, 55 bestehenden Gebilangebracht ist, damit der Grundwandabschnitt in des automatisch stoppen, wenn diese Teile die innere einer orientierten Stellung in die entsprechend ge- 5 Betriebslage zwischen den zwei Sätzen von Klemmformte Gehäuseöffnung 61 paßt. Die kreisförmige wandabschnitten der Befestigungsvorrichtung 40 Gehäuseöffnung 61 hat eine Richtung gebende Aus- durch den oben beschriebenen automatischen Zusparung, in welche der Richtung gebende Vorsprung sammenbau- und Ausrichtvorgang erreichen. 45-1 der Grundwand hineinpaßt, damit dadurch die Bei dieser Wandlervorrichtung legt das Anstoßen

vorherbestimmte orientierte Lage der Wandleranord- io der Zinken 54, 59 der Wandleranordnung des elastonung 20 relativ zum Gehäuse 60 befestigt wird, und meren Klemmkörpers 30 an den Anschlagkanten oder damit sichergestellt wird, daß der piezoelektrische -flächen 48 in den Klemmschlitzen 47 der starren BeWandler 21 darin eine vorherbestimmte ausgerichtete festigungsvorrichtung 40 die ausgerichtete Endstellung Lage annimmt. der Teile fest.

Bei dieser Anordnung kann man die Wandlervor- i₅ Bei einer solchen Anordnung zum automatischen richtung 20 in ihrer Betriebslage an der Wand ihres Abstoppen der Einwärtsbewegung der Teilgruppe aus Gehäuses 60 leicht anbringen, indem man den Grund- den mit dem elastomeren Klemmkörper zusammenwandabschnitt 45 mit seinem Richtung gebenden gesetzten Wandlerelementen, das zustande kommt, Vorsprung 45-1 in die Aufnahmeöffnung 61 ihres Ge- wenn diese Teile ihre Arbeitslage im Innern der häuses 60 hineinfallen läßt, wobei die ausrichtende ao starren Befestigungsvorrichtung erreichen, wobei die Aussparung der Gehäuseöffnung den ausrichtenden zwei inneren Wandflächen der Befestigungsvorrich-Vorsprung 45-1 des Grundwandabscbmitts 45 auf- tung über den gegenüberliegenden Flächen des elastoninimt. Durch Aufbringen eines Überzuges aus einem meren Klemmkörpers, der sich über die weiten Elekbekannten guten Klebemittel auf der Grundwand, trodenflächen des Wandlers erstreckt, liegen, kann seinem vorspringenden Abschnitt 45 und den Auf- 25 eine nach innen abgeschrägte Form gegeben werden lageflächen der Wände des Gehäuses 60 und seiner (Fig. 7).

Öffnung 61 vor dem Einsetzen der Befestigungsvor- Wenn jedoch die Wandleranordnung der oben berichtung 40 der Wandleranordnung 20 in ihre Be- schriebenen Bauart mit nach außen ragenden Klemtriebslage im Gehäuse 60 wird die Wandleranord- menabschnitten (entsprechend den oben beschriebenung in ihrer Betriebslage befestigt. 30 nen Zinken 54, 59) versehen ist, die in derselben

Eine Eigenart der Erfindung schließt eine Anord- axialen Richtung wie der piezoelektrische Wandler 21 nung in sich, welche es möglich macht, daß die verlaufen, wird eine solche Teilgruppe des elasto-Elemente der Wandleranordnung der oben beschrie- meren Klemmkörpers 30 mit einer anderen Art von benen Bauart automatisch ausgerichtet in ihre Lage Anschlagelementen ausgestattet, die zum automagebracht werden, damit sichergestellt wird, daß der 35 tischen Abstoppen der Einwärtsbewegung der Teilelastomere Klemmkörper in seiner genau ausgerich- gruppe des elastomeren Klemmkörpers 30 beim Erteten Lage innerhalb der Befestigungsvorrichtung 40 reichen der inneren Betriebslage mit Anschlägen der in der oben beschriebenen Weise automatisch be- Befestigungsvorrichtung 40 zusammenwirken. Zum festigt wird; dies ungeachtet der Tatsache, daß die Beispiel können die Innenflächen der Befestigungsvorzwei metallischen Klemmen äußere Zinken haben, die 4° richtung 40 in der Nähe von deren in Fig. 4 rechts in einer Richtung quer zur Richtung der Bewegung liegendem Ende nach innen verlaufende Anschlagdes länglichen elastomeren Klemmkörpers 30 in sei- schultern 49 haben, die sich an die in weiterem Abnen koaxialen Befestigungsraum 41 hinein verlaufen. stand zueinander befindlichen Klemmwandabschnitte Zu diesem Zweck ist die Grundwand 44 der Bef esti- 42 anschließen. Diese Anschlagschultern sind so angungsvorrichtung 40 des Wandlers auf der Seite, auf 45 geordnet, daß sie an den Anschlagflächen 39 ander sich die weiter voneinander entfernten Klemm- greifen, die an den gegenüberliegenden Seitenflächen wandabschnitte 42 (Fig. 3 bis 7) befinden, mit zwei der äußeren Zonen der zwei elastomeren Klemmlänglichen Schlitzen 47 versehen. Diese verlaufen von backen 32 ausgebildet sind. Die Anschlagflächen 49 der Wandkante der Grundwand 44 in ihr inneres Ge- und 39 der Befestigungsvorrichtung 40 bzw. des biet. Durch diese Schlitze ragen die Zinken 54 und 59 50 elastomeren Klemmkörper 30 sind so angeordnet, seitlich nach außen vor. So kann man den länglichen daß die Teilgruppe des elastomeren Klemmkörpers elastomeren Klemmkörper 30 mit dem darin ein- 30 der oben beschriebenen Bauart beim Hineingebauten Wandler 21 (Fig. 4 bis 7) und mit den Kon- bewegen in den Befestigungsraum 41 der Befestitaktzungen 53, 58 der zwei Klemmen 51, 55, die an- gungsvorrichtung 40 automatisch am Ende seiner Eingesetzt an dem elastomeren Klemmkörper entlang 55 wärtsbewegung gestoppt wird, wenn die Kiemmund teilweise innerhalb desselben gehalten werden, in backen 32, 33 des elastomeren Klemmkörpers ihre den inneren Befestigungsraum 41 der Befestigungs- innere Lage erreichen, in der sie in den Klemmsitz vorrichtung 40 in der oben beschriebenen Weise hin- mit den eingeklemmten Wandlerzonen 24 und den einbewegen, während die zwei Zinken 54, 59, welche darüberliegenden Klemmwandabschnitten 42, 43 der unter dem länglichen elastomeren Klemmkörper 30 60 Befestigungsvorrichtung 40 gezwängt sind, seitlich hervorragen, sich entlang den Schlitzen 47 der In der speziellen Ausführungsform gemäß der Er-

Grundwand 44 der Befestigungsvorrichtung in ihre findung, die gezeigt ist, ist der piezoelektrische Wandinnere Endstellung innerhalb der Grundwandschlitze ler 21 durch ein Bewegung übertragendes Zwischenbewegen, in der sie in den Fig. 1, 3 und 4 bis 6 glied 65 mit einer Schwingmembran 64 verbunden, gezeigt sind, 65 Wenngleich die mittlere Schwingzone 25 des Wand-

Bei einer solchen Anordnung dienen die inneren lers, die sich zwischen den zwei eingeklemmten Zonen Grenzkanten oder -flächen 48 der die Zinken aufneh- 24 erstreckt, durch ein solches Zwischenglied mit der menden Schütze 47 der Grundwand 44 als automa- Membran 64 verbunden werden kann, arbeitet die

dargestellte Wandlervorrichtung mit einem Wandler 21, der koaxial zur mittleren Wandlerschwingzone 25 eine weitere Wandlerschwingzone 26 aufweist, die sich über eine der Klemmzone 24 hinaus erstreckt, z. B. in Fig. 4 nach rechts hin. Die Schwingmembran ist sehr leicht und kann beispielsweise aus dünner Aluminiumfolie geformt sein. In der besonderen gezeigten Vorrichtung ist die Membran 64 von kreisförmiger Form, und ihr Rand ist beispielsweise mittels eines Klebers an der darunterliegenden Kante des Gehäuserandes 63 des kreisförmigen Gehäuses 60 befestigt. Das die Bewegung übertragende Zwischenglied 65 hat zwei nach innen greifende Arme 66, die mit ihren eingekerbten Endabschnitten einen Endabschnitt der äußeren Schwingzone 26 des Wandlers 21 zur Übertragung der Schwingungsbewegung zwischen diesem und der Membran 64 umfaßt. Das äußere Ende des Zwischengliedes 65 läuft durch die Mitte der konisch geformten Schwingmembran 64 und ist an den angrenzenden Membranabschnitten auf gewohnliche Art befestigt, z. B. mittels Wachs oder Klebstoff.

Zum Schutz der feinen Membran gegen Beschädigung von außen her ist diese mit einer Schutzwand 70 versehen. Diese hat Schlitzöffnungen, durch welche akustische Signale zwischen dem umgebenden Raum und der Membran 64 übertragen werden, damit die Membran 64 übereinstimmend mit dem im umgebenden Raum sich ausbreitenden Schall schwingt oder damit die Membran akustische Energie an den umgebenden Raum übermittelt, wenn sie vom Schwingungswandler 21 in Schwingungen versetzt wird. In der gezeigten Ausführungsform wird die Schutzdeckwand 70 an ihrem Umfang durch einen darüberliegenden inneren Flansch 68 eines Gehäusedeckels 69 gegen den darunterliegenden Gehäuserand 63 geklemmt. Der Gehäusedeckel 69 ist an dem relativ starren Wandlergehäuse 60 außen befestigt. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Gehäusedeckel 69 aus einer relativ dicken Schicht von elastomerem oder gummiähnlichem Material geformt, welches außen am Gehäuse 60 durch elastische Kräfte und/ oder durch eine Klebstoffschicht festgehalten wird wie auch dadurch, daß Abschnitte des Deckels die Ober- und Unterseite des Mikrophons 60 überlappen (Fig. 1).

Die erwünschte Flachheit der Kennlinie wird mittels Einklemmen erreicht, wodurch eine übermäßige akustische Bewegung im Gebiet der Resonanzfrequenz des Wandlers unterdrückt wird.

Erfindungsgemäß werden der Dämpfungsaufbau und der getrennte harte und kräftige Schutzdeckel, wie er gewöhnlich bei hochqualitativen akustischen Membranwandlern verwendet wird, durch eine harte Deckwand ersetzt, die über der Schwingungsmembran liegt und diese schützt und die einen oder mehrere Schlitze geringer Breite und Tiefe hat. Diese weisen eine vernachlässigbare akustische Trägheit auf, während sie den gewünschten akustischen Dämpfungswiderstand darbieten, der eine übermäßige akustische Bewegung verhindert, ohne daß ein beträchtlicher Verlust an Gesamtempfindlichkeit auftritt.

Damit man einen praktischen Begriff von der Erfindung bekommt, sollen nun als Beispiele Dimensionierungsdaten von Ausführungsformen gemäß der Erfindung gegeben werden.

Ein Mikrophon, das in einem Frequenzbereich von 30 bis 13 000 Hz eine im wesentlichen flache Leerlaufkennlinie aufweist, hat eine Membran aus Aluminiumfolie von etwa 3 cm Durchmesser. Es hat einen keramischen piezoelektrischen Wandlerkörper, der 0,66 mm dick, 1,60 mm breit und 10,8 mm lang ist. Er ist aus Bleizirkonat- und Bleititanat-Keramik hergestellt, bekannt als »PZT«. Die eingeklemmte Länge des keramischen Wandlers einschließlich seinen freien Schwingabschnitts ist 7,6 mm. Die Klemmbreite (entlang seiner Achse) zwischen seinen metallenen Kontaktzungen 58 und 53 ist 10,2 mm. Die Klemmbreite am entgegengesetzten Ende des elastischen Klemmkörpers ist 1,27 mm. Die Dicke des nicht zusammengedrückten elastomeren Körpers ist an seinem weiteren Ende 4,06 mm und an seinem entgegengesetzten engeren Ende 3,3 mm. Der Überhang des nach außen vorragenden Wandlerabschnitts bis zu seinem Eingriff in die Membranantriebsstange beträgt 2,54 mm. Das Volumen des Gehäuseraumes, der unter der Membran gelegen ist, ist groß genug, um sicherzustellen, daß seine akustische Steifheit eine nur vernachlässigbare Wirkung auf das Verhalten des Mikrophons hat. Eine gewöhnliche kleine Öffnung im Gehäuseraum ermöglicht einen Druckausgleich zwischen beiden Seiten der Membran. Der eingeklemmte piezoelektrische Wandler schwingt, wenn er mit dem Zwischenglied nicht verbunden ist, bei einer Frequenz zwischen 4000 und 4500Hz. Er arbeitet mit einer Empfindlichkeit von 63 db unter 1 Volt für akustischen Druck von 1 dyn/cm².

Ein ähnliches Mikrophon, das bei einer geringeren Empfindlichkeit von 68 db unter 1 Volt für denselben Luftdruck zwischen 13 000 und 16 000 Hz eine im wesentlichen flache Leerlaufkennlinie aufweist, hat einen kürzeren piezoelektrischen keramischen Wandler von 9,9 mm Länge und ansonsten ähnliche Abmessungen.

Ein ähnliches Mikrophon, welches eine höhere Empfindlichkeit von 58 db unter 1 Volt für denselben akustischen Druck und eine im wesentlichen flache Kennlinie in einem Frequenzbereich von 30 bis 8000 Hz aufweist, hat einen längeren keramischen piezoelektrischen Wandler von 11,4 mm Länge und dieselben sonstigen Abmessungen. Der eingeklemmte piezoelektrische Wandler schwingt, wenn er mit dem Antriebszwischenglied nicht verbunden ist, zwischen 2700 und 3000 Hz.

Claims (1)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Mechanisch-elektrische Wandleranordnung zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische Signale, und umgekehrt, insbesondere zur Verwendung im Tonfrequenzbereich, gekenn zeichnet durch einen langgestreckten, stabförmigen, piezoelektrischen Wandlerkörper (21), der entgegengesetzt gerichtete Oberflächen (22) aufweist, von denen Teile mit Elektroden (51, 54) zum Abnehmen/Anlegen der elektrischen Signale von dem/an den Wandlerkörper (21) in Berührung stehen und der an zwei in seiner Längsrichtung im Abstand befindlichen Stellen (24) eingespannt ist, und durch eine Vorrichtung (30,40) zum Einspannen des Wandlerkörpers (21), bestehend aus einem elastomeren Klemmteil (30) mit einem in Längsrichtung verlaufenden hohlen Innenraum (31), der den Wandlerkörper aufnimmt, und von gegenüberliegenden Teilen der Wandung des Innenraumes nach innen vorragenden Klemmbackenpaaren (32; 53, 58), die einen

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dem gewünschten Abstand der Einspannstellen (24) des Wandlerkörpers entsprechenden gegenseitigen Abstand in Längsrichtung aufweisen, an den entgegengesetzten Oberflächen (22) des Wandlerkörpers (21) angreifen und diesen zwischen sich mit Abstand von der Innenraumwandung festhalten, sowie aus einem starren Halteteil (40) mit einer Ausnehmung zur Aufnahme des elastomeren Klemmteiles, die so ausgebildet ist, daß der in sie eingeschobene Klemmteil (30) von dem starren Halteteil (40) an den Stellen, an denen die Klemmbacken (32, 33; 53, 58) angeordnet sind, zusammengepreßt wird und dabei die Klemmbacken gegen den Wandlerkörper gedrückt werden.

2. Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Preßflächen (42, 43) gemessene lichte Weite der Ausnehmung des Halteteiles an der Stelle des einen Klemmbackenpaares (32) größer ist als an der Stelle des anderen und daß der elastomere Klemmteil (30) an dem einen Klemmbackenpaar (32) entsprechend dicker ist als an dem anderen.

3. Wandleranordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch komplementäre Schultern (39, 49) an der Außenseite des elastomeren Klemmteiles und an der Wand der Ausnehmung des Halteteiles zum Begrenzen der Strecke, um die der elastomere Teil in die Ausnehmung einschiebbar ist.

4. Wandleranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei Klemmstreifen (51, 55) aus Metall, die zwischen dem Halteteil und dem elastomeren Klemmteil festgeklemmt sind und von denen jeder eine sich in den hohlen Innenraum des elastomeren Klemmteiles erstreckende Zunge (53, 58) aufweist, die von diesem an der Stelle des einen Klemmbackenpaares gegen die eine bzw. andere der beiden entgegengesetzten Wandlerkörperflächen gepreßt werden.

5. Wandleranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerkörper zumindest an einem Ende aus dem elastomeren Klemmteil herausragt und an diesem Ende angetrieben ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1 209 710/252 11.62