DE2508556A1

DE2508556A1 - Piezoelektrischer elektroakustischer wandler

Info

Publication number: DE2508556A1
Application number: DE19752508556
Authority: DE
Inventors: Akihiko Kodama
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1974-02-28
Filing date: 1975-02-27
Publication date: 1975-09-04
Also published as: GB1504408A; US4088915A; DE2508556C2; JPS5215972B2; JPS50118716A; US4008408A

Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

DIPL.-ING.

H. KINKELDEY

□ R.-ING.

^W> STOCKMAlR

DR.-INS.· AeE(CAUTECH)

K. SCHUMANN

DR. RER. NAT. · DIPL.-PHYS.

P. H. JAKOB

DIPL.-INO.

G. BEZOLD

DR. RER. NAT. ■ D1PL.-CHEM.

MÜNCHEN E. K. WEIL

DR. RER. OEC. INa.

LINDAU

MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

27. Februar 1975 P 8986

Pioneer Electronic Corp.

No,- .4-1, Meguro 1-chome, Meguro-ku, Tokyo, Japan

Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler, bei welchem eine Membran verwendet wird, die aus einer piezoelektrischen Folie hergestellt ist und eine Elastizität und/oder Spannung aufweist, um in einer zu der Ebene der Membran senkrechten Richtung eine Schwingung zu erzeugen.

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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Weiterbildung eines piezoelektrischen Wandlers, wobei die Membran durch ein Halteelement gehalten ist, welches einen gekrümmten Teil aufweist, um der Membran eine geeignete Elastizität und/oder Spannung zu verleihen, welche von dem Halteelement gehalten wird, so daß dadurch akustische Eigenschaften verbessert werden, ohne den Wirkungsgrad einer Schwingung der Membran eu beeinträchtigen.

Es ist bereits vorgesehen worden, einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler mit einer als dünne Folie mit Piezoelektrizität ausgebildeten Membran zu verwenden. (Siehe beispielsweise die US-Patentschrift 3 832 580.) Eine solche piezoelektrische Folie, die als Membran für einen elektroakustischen Wandler verwendet werden soll, kann unter Verwendung eines Polymers mit einem hohen Molekulargewicht hergestellt werden. (Siehe: "Polypeptid-Piezoelektrizitäts-Wandler" von E. Fukuda et al., 6. Internationaler Akustikkongress, D3I, Tokio (1968) und "Die Piezoelektrizität von Polyvinylidenfluorid" von H. Kawai, Japan, J. Appl. Phys. 8 (1969) S. 975·)

Um in wirksamer Weise eine Ausdehnung und Zusammenziehung einer solchen Membran in einer Richtung parallel zu ihrer Ebene, welche durch Aufnahme eines Wechselstromes erzeugt wird, in eine Schwingung in der Richtung senkrecht zu der Ebene der Membran umzuwandeln, ist bereits vorgesehen worden, auf der einen Seite der Membran eine elastische Stützeinrichtung in zusammengepreßtem Zustand auf die Membran einwirken zu lassen. Ein derartiges elastisches Stützelement zeigt jedoch die Tendenz, einen mechanischen Widerstand hervorzurufen, der für einen guten Schwingungswirkungsgrad der Membran schädlich ist (siehe beispielsweise die US-Patentschrift 3 832 580). Außerdem altert aufgrund einer Veränderung der Umgebungsbedingungen wie der Temperatur, der Feuchtigkeit usw. über eine lange

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Zeit das elastische Stützelement, so daß es eine ausreichende Elastizität verliert, wodurch die Kraft in unvorteilhafter Weise vermindert wird, welche das elastische Stützelement auf die piezoelektrische Membran ausübt. Somit ist es "lit der herkömmlichen Einrichtung schwierig, ausgezeichnete Eigenschaften im Hinblick auf eine günstige akustische Charakteristik zu erreichen und zu erhalten, wenn insbesondere ein guter Übertragungswirkungsgrad, eine vorteilhafte Frequenzcharakteristik usw. angestrebt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler zu schaffen, bei iirelchem der mechanische Widerstand, welcher durch ein elastisches Stützelement erzeugt wird, welches an einer piezoelektrischen Membran anliegt, auf ein Minimum gebracht werden kann, ohne den Wandlerwirkungsgrad, die Frequenzcharakteristik usw. nachteilig zu beeinflussen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß bei einem piezoelektrischen elektroakustischen Wandler eine piezoelektrische Membran verwendet wird, welche an ihren Randabschnitten durch ein Halteelement gehalten ist, welches einen gekrümmten !Peil hat, um der piezoelektrischen Membran wenigstens eine der beiden Eigenschaften der Elastizität und Spannung zu verleihen.

Somit wird gemäß der Erfindung ein elektroakustischer Wandler

mit einer piezoelektrischen Membran geschaffen, die von einem Halteelement gehalten wird, welches einen gekrümmten Abschnitt aufweist, um eine geeignete Elastizität und/oder Spannung auf die Membran zu übertragen, damit die akustischen Eigenschaften verbessert werden, ohne den Wirkungsgrad einer elektromechanischen Umwandlung des Wandlers zu beeintrechtigen.

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Die Erfindung wird nachfolgend "beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht, welche einen herkömmlichen, piezoelektrischen elektroakustxschen Wandler darstellt,

Pig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in der Fig. 1,

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch eine weitere Art eines herkömmlichen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer Anordnung eines Halteelementes und einer durch dieses Halteelement fest gehaltenen piezoelektrischen Membran, wobei derjenige Zustand dargestellt ist, in welchem die gekrümmte Konfiguration des Halteelementes gemäß der Erfindung noch nicht hergestellt ist,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform gemäß der Erfindung,

Fig. 6 einen Querschnitt entlang der Linie VI-VI in der Fig.5,

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer v/eiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung,

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung eines Halteelementes, welches gekrümmt werden soll, und

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung des Halteelementes gemäß Fig. 8, welches sattelförmig gekrümmt ist.

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In der Zeichnung sowie in der nachfolgenden Beschreibung sind gleiche Teile und Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In den Fig. i und 2 ist ein herkömmlicher Wandler dargestellt, bei welchem ein elastisches Stützelement c um den Umfang eines zylindrischen Körpers b herum angeordnet ist und wobei um den Umfang des elastischen Stützelementes c eine piezoelektrische Membran a derart angeordnet ist, daß der elastische Körper c radial nach innen gedrückt wird. An beiden Enden des zylindrischen Körpers b sind Halteplatten d angebracht, die aus einem starren Material bestehen. Wenn der piezoelektrischen Membran a ein Wechselstrom zugeführt wird, dehnt sich die piezoelektrische Membran a abwechselnd aus und zieht sich zusammen, und zwar entlang ihrem Umfang. Demgemäß vibriert bzw. schwingt die piezoelektrische Membran in einer radialen Richtung.

In der Fig. 3 ist ein weiterer herkömmlicher piezoelektrischer Wandler dargestellt, bei welchem ein elastisches Stützelement 3 auf einer Grundplatte 4- angebracht ist, die eine Vielzahl von Poren aufweist, die eine vorgegebene Konfiguration und eine vorgegebene Größe haben. Eine piezoelektrische Membran 2 ist über dem elastischen Stützelement 3 angeordnet, und beide Enden dieser Membran 2 sind auf einer Grundplatte 4-durch Halteelemente 1 befestigt. Dies führt zu dem Ergebnis, daß das elastische Stützelement 3 einen Druck auf die Membran 2 ausübt. Wenn ein Wechselstrom an die Membran 2 angelegt wird, so dehnt sich die Membran 2 abwechselnd aus und zieht sich zusammen und zwar in einer Richtung entlang ihrer Ebene. Deshalb vibriert bzw. schwingt die piezoelektrische Membran 2 in der Richtung senkrecht zu der Ebene der Membran 2.

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— fo —

Herkömmliche piezoelektrische elektroakustische Wandler mit einer solchen Struktur, wie sie oben beschrieben wurden, haben verschiedene Nachteile.

In der Fig. 4 ist eine Anordnung eines Halteelementes und einer dadurch gehaltenen piezoelektrischen Membran dargestellt. Mit 1 ist ein Halteelement bezeichnet, welches aus einem starren Material wie einem Metall oder einem Hartplastik besteht. Mit 2 ist eine Membran bezeichnet, die aus einer dünnen Folie eines polymeren Materials mit einem hohen Molekulargewicht wie Polyvinylidenfluorid (PVF₂), Polyvinylfluorid (PVF), Polyvinylchlorid (PVC), Hylon-11 oder Polypeptid (PMG) oder einem ähnlichen Material besteht.

In der Fig. 5 ist eine Ausführungsform gemäß der Erfindung dargestellt, welche dadurch hergestellt wird, daß die in der Fig. 4 dargestellte Anordnung derart gekrümmt wird, wie es in der Zeichnung dargestellt ist. Diese erfindungsgemäße Anordnung kann auch dadurch hergestellt werden, daß zwei gegenüberliegende Seiten eines Haiteelementes 1 vorab gekrümmt bzw. gebogen werden und daß dann eine piezoelektrische Membran an ihrem Randbereich mit dem Halteelement 1 gemäß der Darstellung fest verbunden wird.

Die Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch die Anordnung gemäß Fig.5· Die piezoelektrische Membran 2 ist so ausgebildet, daß sie innerhalb des Bereiches vibriert bzw. schwingt, der durch die zwei strichpunktierten Linien dargestellt ist.

In der Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung dargestellt, wobei mit 1 ein Halteelement bezeichnet ist, welches aus einem starren Material wie Metall oder Hartplastik besteht und Seitenteile 1a aufweist, welche sich entlang

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einer X-Achse erstrecken, weiterhin Seitenteile 1b aufweist, welche sich entlang einer Y-Achse erstrecken, wie es in der Zeichnung dargestellt ist. Die Seitenteile 1a und die Seitenteile 1b sind in umgekehrten Richtungen entlang einer Z-Achse gekrümmt. Wie aus der Darstellung hervorgeht, sind die Seitenteile 1a nach oben gekrümmt, während die Seitenteile 1b nach unten gekrümmt sind. Mit 2 ist eine Membran aus einer dünnen Folie eines polymeren Materials mit einem hohen Molekulargewicht bezeichnet, wie es oben bereits angegeben wurde. Wenn die Membran 2 fest mit ihren Bändern an dem Halteelement 1 befestigt ist, so entsteht die Konfiguration wie bei einem Sattel.

In den Fig. 8 und 9 ist Jeweils ein Halteelement 1 dargestellt, und zwar bevor und nachdem es einer Bearbeitung unterworfen wurde, bei welcher es eine gekrümmte Konfiguration erhält. Ähnlich wie im Falle der Membrananordnung gemäß Fig. 5 können zwei Verfahren zur Herstellung der sattelförmigen piezoelektrischen Membrananordnung gemäß Fig. 7 angewandt werden. Ein Verfahren besteht darin, ein Halteelement gemäß Fig. 8 einer Bearbeitung zu unterwerfen, um eine gekrümmte Konfiguration zu erhalten, nachdem eine Membran fest an dem flachen Halteelement 1 befestigt wurde. Das andere Verfahren besteht darin, ein Halteelement 1 einer Bearbeitung zu unterziehen, um eine gekrümmte Konfiguration gemäß Fig. 9 zu erhalten und dann eine Membran mit ihren Rändern fest an dem Halteelement 1 anzubringen.

Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen ist das Halteelement rechteckig, wobei die vier Seiten des Halteelementes aus einem Stück bestehen, und die gekrümmten Seiten sind in bezug auf ihre Mitte symmetrisch gekrümmt. Diese Punkte sind jedoch bei der piezoelektrischen Membrananordnung des

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elektroakustischen Wandlers gemäß der Erfindung nicht notwendig. Das Ealteelement kann quadratisch oder ringförmig sein, die Seiten des Halteelementes müssen nicht notwendigerweise aus einem Stück bestehen und die Krümmung muß nicht notwendigerweise symmetrisch sein. Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß selbst dann, wenn eine Krümmung nur in einem Abschnitt des Halteelementes vorhanden ist, die Aufgabe der Erfindung in gewissem Umfang gelöst wird.

Wenn im Betrieb ein Wechselstrom an die Membran 2 angelegt wird, dehnt sich die Membran 2 abwechselnd aus und zieht sich zusammen. Da die Membran 2 gemäß der Krümmung des Halteelementes 1 gebogen ist, wird der Vorgang des Ausdehnens und des Zusammenziehens in eine Schwingung umgewandelt, wie es in der Fig. 6 durch zwei strichpunktierte Linien angedeutet ist. Bei dieser Anordnung ist ein elastisches Stützelement nicht unbedingt erforderlich, um das Ausdehnen und das Zusammenziehen der Membran 2 in eine Schwingung umzuwandeln.

Auf diese Weise ist es möglich, einen mechanischen Widerstand auf ein Minimum zu bringen, der üblicherweise durch ein elastisches Stützelement ausgeübt wird, welches an einem Diaphragma anliegt, ohne den Übertragungswirkungsgrad, die Frequenzcharakteristik usw. zu beeinträchtigen. Folglich werden die akustischen Eigenschaften eines piezoelektrischen elektroakustischen Wandlers gemäß der Erfindung wesentlich verbessert.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler, dadurch gekennz eichnet, daß eine piezoelektrische Membran (2) vorgesehen ist, welche an ihren Randabschnitten durch ein Halteelement (1) gehalten ist, und daß das Halteelement einen gekrümmten Teil aufweist, um der piezoelektrischen Membran (2) wenigstens eine der beiden Eigenschaften der Elastizität und Spannung zu verleihen.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

das Halteelement (1) einen gekrümmten Teil aufweist, welcher vier Seiten hat, die ein Viereck bilden, und daß die vier Seiten ein Paar von gegenüberliegenden Seiten haben, die jeweils gekrümmt sind.
3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

das Paar von gegenüberliegenden Seiten symmetrisch in bezug auf deren Mitte gekrümmt ist.
4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

das Halteelement (1), welches einen gekrümmten Teil aufweist, vier Seiten (1a, 1b, 1a, 1b) hat, die ein Viereck bilden, und daß die vier Seiten zwei Paare (1a, 1b) von gegenüberliegenden Seiten haben, die jeweils gekrümmt sind.
5. Wandler nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Paare (1a, 1b) von gegenüberliegenden Seiten in zueinander entgegengesetzten Richtungen gekrümmt sind.
6. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement (1), welches einen gekrümmten Teil hat, ringförmig ausgebildet ist.

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