DE1144770B

DE1144770B - Elektroakustischer Wandler

Info

Publication number: DE1144770B
Application number: DES76040A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Richard Karmann; Dipl-Phys Helmut Hoffmann; Otto Bruennert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1961-09-29
Filing date: 1961-09-29
Publication date: 1963-03-07
Also published as: BE623017A; GB978202A; CH415759A; NL283763A; US3222462A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

S76040Vma/21a²

ANMELDETAG: 29. SEPTEMBER 1961

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG VNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT:

7. MÄRZ 1963

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler mit einer ebenen Schwingplatte als Membran, die aus wenigstens einer Schicht elektrostriktiven Materials besteht.

Es sind seit langem Wandler dieser Art bekannt. Sie haben aber bisher noch keine praktische Bedeutung erlangen können, weil ihre Empfindlichkeit, verglichen mit der Empfindlichkeit von elektroakustischen Wandlern herkömmlicher Art, zu gering ist. Zwar hat man bereits versucht, die Empfindlichkeit dadurch zu erhöhen, daß man die bei fester Einspannung der Schwingplatte bedingte Schwingungsform durch eine besondere Anordnung der Elektroden, nämlich ihre Unterbrechung an den Stellen der Änderung des Krümmungssinnes der Membran berücksichtigte und zusätzlich, zur besseren Anpassung der Membran an den Wellenwiderstand des umgebenden Schallmediums, die Plattenstärke bis auf weniger als 0,01 mm verringerte, indem man das elektrostriktive Material auf einen dünnen Träger aufgedampft hat. Derartige Wandler haben sich aber bis jetzt ebenfalls nicht durchsetzen können. Insbesondere bereitet das Aufdampfen einer homogenen elektrostriktiven Schicht in der notwendigen Stärke erhebliche fabrikatorische Schwierigkeiten.

Durch die Erfindung wird gezeigt, wie die Empfindlichkeit elektrostriktiver Wandler der einleitend genannten Art erhöht werden kann, ohne daß die Plattenstärke so weit verringert werden muß, daß sie fertigungstechnisch schwer herstellbar wird.

Die erfinderische Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß die unter dem Kontaktmaterial liegende Oberfläche des elektrostriktiven Materials geglättet ist und daß die Schwingplatte am Rand zwischen einem festen und einem federnden Lager gehalten ist.

Dieser Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es nicht genügt, wenn, insbesondere bei kleinen Plattenstärken, das elektrostriktive Material nur geschliffen wird. Die hierbei entstehenden Schleifriefen verursachen nämlich bei der Polarisation des elektrostriktiven Materials ein Zusammenlaufen der Stromlinien an den kerbenförmigen Einbrüchen im Material und dadurch eine unzulässig große Erwärmung an diesen Stellen. Bei unbegrenztem Polarisationsstrom führt dies schließlich zu einem Durchschlag, bei begrenztem Polarisationsstrom bricht die Spannung zwischen den Elektroden des elektrostriktiven Materials zusammen, so daß sie nicht mehr ausreicht, um in den übrigen Teil des elektrostriktiven Materials eine genügend große Polarisationsfeldstärke einzuprägen.

Wesentlich für eine ausreichende Polarisation ist neben einem homogenen elektrostriktiven Material Elektroakustischer Wandler

Anmelder: Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München, München 2, Wittelsbacherplatz 2

Dipl.-Phys. Richard Karmann, München-Solln, Dipl.-Phys. Helmut Hoffmann und Otto Brünnert, München,

sind als Erfinder genannt worden

und einer gleichmäßigen Plattenstärke eine möglichst glatte Oberfläche des elektrostriktiven Materials unterhalb der Elektroden, an die die Polarisationsspannung angelegt wird.

Die Schwingplatte des erfindungsgemäßen Wandlers besteht vorzugsweise aus zwei geglätteten und kontaktierten Scheiben elektrostriktiven Materials, die etwa 0,2 mm stark und miteinander verklebt oder verlötet sind. Derartige Scheiben lassen sich aus dickeren Platten, die besonders homogen, spannungs- und rißfrei hergestellt werden können, durch Schleifen und anschließendes Läppen gewinnen. Sie haben gegenüber extrem dünnen Platten aus elektrostriktivem Material die Vorteile, daß sie leichter herstellbar sind, daß die Bruchsicherheit größer ist, daß unvermeidbare kleine Unstetigkeiten, wie Inhomogenität des Werkstoffes, Fremdkörpereinschlüsse, Haarrisse usw., prozentual weniger wirksam sind und daß die Eigenschwingung im oberen Teil des Übertragungsbereichs liegt. Bei extrem dünnen Schwingplatten ist zwar die Anpassung an das umgebende Schallmedium besser, die Eigenschwingung liegt aber im unteren Teil des Ubertragungsbereichs. Dies hat zur Folge, daß das Übertragungsmaß im oberen Teil des Übertragungsbereichs so stark abfällt, daß bei einer Linearisierung des Frequenzgangs die durch die bessere Anpassung gewonnene Empfindlichkeitssteigerung wieder preisgegeben werden muß.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist eine Empfindlichkeitssteigerung nicht nur durch eine möglichst glatte Oberfläche und die damit ermöglichte größere Polarisation gewonnen, sondern auch durch die be-

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sondere Art der Halterung der Schwingplatte. Diese ist so ausgebildet, daß die Schwingplatte wie eine am Rand frei aufliegende Platte schwingt. Damit ist bei vorgegebener Plattenstärke eine Empfindlichkeitserhöhung um etwa den Faktor 3,2 gegenüber der bisher bei elektrostriktiven Wandlern angewandten festen Einspannung verbunden. Die geringere Steife der federnden Entspannung ergibt zusätzlich, eine bessere Anpassung an den Wellenwiderstand des umgebenden Schallmediums.

Im Sinne der angestrebten Empfindlichkeitserhöhung ist es auch zweckmäßig, die Metallbeläge der elektrostriktiven Scheiben nicht bis zum Rand dieser Scheiben auszudehnen, sondern eine elektrodenfreie Randzone zu belassen. Auf diese Weise läßt sich die bei der erfindungsgemäßen Halterung der Membran auftretende Schwingungsform berücksichtigen. Es wurde hierbei gefunden, daß bei einem Durchmesser der Metallbeläge von etwa 0,91 des Durchmessers des ringförmigen festen Lagers die Empfindlichkeit am größten ist. Sie erreicht bei Kombination aller vorgenannten Maßnahmen eine Größe, die etwa der der Empfindlichkeit von elektroakustischen Wandlern der herkömmlichen Art entspricht.

Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele an Hand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.

In Fig. 1 ist der interessierende Teil des Gehäuses 1 eines elektroakustischen Wandlers, das durch einen Deckel 2 abgeschlossen ist, dargestellt. Der Wandler besitzt eine plattenförmige Membran 3, die aus zwei Schichten 4 und 5 elektrostriktiven Materials besteht und zwischen einem festen Lager 6 und einem federnden Lager 7 gehalten ist. Das feste Lager ist in Form eines Absatzes mit trapezförmigem Querschnitt in die Gehäusewandung eingearbeitet. Das federnde Lager ist als Ring aus einem nachgiebigen Material, wie z. B. Weichgummi, Schaumstoff, Thermoplast usw., ausgebildet. Der Querschnitt dieses Ringes hat in diesem Fall ebenfalls trapezförmige Gestalt. Er könnte aber ebenso rechteckig sein, da er aus einem so weichen Material bestehen soll, daß er unabhängig von seiner Auflagefläche auf der Membran diese in ihrer Bewegung nicht behindern soll. Die beiden elektrostriktiven Schichten der Membran sind jeweils beidseitig metallisiert und zusammengeklebt oder zusammengelötet. Damit die gewünschte Bewegung der Membran erzielt wird, sind die beiden elektrostriktiven Schichten axial in der gleichen Richtung polarisiert und sowohl die beiden aufeinanderliegenden Metalibeläge 8 und 9 als auch die Außenbeläge 10 und 11 der Membran jeweils miteinander verbunden und zu einem elektrischen Anschluß geführt. Die Metallbeläge bedecken nicht die gesamte Fläche des elektrostriktiven Materials, sondern nur etwa neun Zehntel des Durchmessers des ringförmigen festen Lagers. Der Rand wird somit inaktiv gehalten.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist das feste Lager 2 in Form eines spitzwinkligen Absatzes mit abgerundeter Kante in die Gehäusewandung eingearbeitet. Das Gegenlager besteht aus einem federnden Metallring 13, der in irgendeiner der bekannten Arten ausgebildet ist und am Gehäusedeckel anliegt oder an ihm befestigt ist.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 besteht das feste Lager aus einem unnachgiebigen Metallring 14 mit kreisförmigem Querschnitt und das federnde Gegenlager aus einem Weichgummiring 15.

Claims

. PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektroakustischer Wandler mit einer Schwingplatte als Membran, die aus wenigstens einer kontaktierten Scheibe elektrostriktiven Materials besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die unter dem Kontaktmaterial liegende Oberfläche des elektrostriktiven Materials geglättet ist und daß die Schwingplatte (3) am Rand zwischen einem festen (6) und einem federnden Lager (7) gehalten ist.

2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauhigkeit der Oberfläche des elektrostriktiven Materials höchstens «i 5 μ beträgt.

3. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe aus elektrostriktivem Material etwa 0,2 mm dick und durch Schleifen und Läppen aus einer dickeren Scheibe hergestellt ist.

4. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingplatte aus zwei zusammengeklebten bzw. zusammengelöteten, beidseitig metallisierten, elektrostriktiven Kreisscheiben (4, 5) besteht und daß der Durchmesser wenigstens der beiden äußeren Metallbeläge (10,11) der Schwingplatte kleiner als der Durchmesser des ringförmigen festen Lagers ist, so daß ein belagfreier Außenrand verbleibt.

5. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser wenigstens der beiden äußeren Metallbeläge der Schwingplatte einem Durchmesser von etwa 0,91 des Durchmessers des ringförmigen festen Lagers entspricht.

6. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Lager in Form eines Absatzes mit trapezförmigem Querschnitt (6) in die Gehäusewandung eingearbeitet ist (Fig. 1).

7. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Lager in Form eines spitzwinkligen Absatzes mit abgerundeter Kante (12) in die Gehäusewandung eingearbeitet ist (Fig. 2).

8. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als festes Lager ein Ring (14) aus hartem Material, z. B. Metall, verwendet ist, der auf einem Absatz der Gehäusewandung aufliegt (Fig. 3).

9. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das federnde Lager als Ring aus nachgiebigem Material, wie Weichgummi, Schaumstoff, Thermoplast usw., ausgebildet ist.

10. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das federnde Lager aus einem Metallring (13) mit federnden Eigenschaften besteht (Fig. 2).

11. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring am Gehäusedeckel befestigt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen