DE2240923C3 - Piezoelektrischer, elektroakustischer Wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen, elektroakustischen Wandler.

Zu einem piezoelektrischen, elektroakustischen Wandler gehört ein Schwingsystem, welches einerseits Wellen von einem elektrischen System empfangen und diese Wellen einem akustischen System zuführen oder andererseits Wellen von einem akustischen System empfangen und diese Wellen einem elektrischen System zuführen kann. Ein derartiges Schwingsystem benötigt Schwingelemente mit piezoelektrischen Eigenschaften.

Es ist bekannt, daß Polyvinylchlorid, Polyvinylfluorid, Polyvinylidenfluorid und andere Polymerisate, die vergleichsweise hohe polare, molekulare Einheiten aufweisen, durch Polarisation mit piezoelektrischen Eigenschaften versehen werden können. Andererseits kann ein Polymerisat leicht in die Form einer Folie gebracht werden, die eine sehr geringe Dicke und eine große Fläche hat und selbst als Vibrationsmembrane verwendet werden kann.

Wenn auf beiden Oberflächen einer Piezoelektrischen Polymerisatfolie jeweils eine Elektrode vorgesehen ist, bewirkt ein an die Elektroden angelegtes elektrisches Feld eine Dehnung oder Schrumpfung der Folie, während eine mechanische Verformung der Polymerisatfolie ein elektrisches Feld oder einen Strom zwischen den beiden Elektroden der Polymerisatfolie erzeugt. Wenn daher eine mechanische Vibration, beispielsweise ein Schalldruck an eine piezoelektrische Polymerisatfolie angelegt wird, kann die durch die Vibration hervorgerufene Verformung der Polymerisatfolie sofort in elektrische Größen, beispielsweise in einen dem Schall entsprechenden elekirischen Strom umgewandelt werden.

Wenn jedoch ein dem Schall entsprechender, elektrischer Strom an die Elektroden einer in flachem Zustand gehaltenen, piezoelektrischen Polymerisatfolie angelegt wird, erfolgt die Verformung der Polymerisatl'olie nur in der Richtung der Ebene der Folie, wobei kaum eine Vibration der Folie auftritt. Es ist daher schwierig, Lautsprecher, Kopfhöhrer, Empfänger usw. aus einer piezoelektrischen Polymerisatfolie mit einem derartigen Aufbau herzustellen.

Es war daher die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen piezoelektrischen, elektroakustischen Wandler zu schaffen, dessen piezoelektrische Elemente so gestaltet sind, daß ausreichend starke Schwingungen für Lautsprecher, Kopfhörer, Empfänger u. dg!, erreicht werden.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß zwei piezoelektrische Polymerisatfolien jeweils auf ihren beiden Seiten mit Elektroden versehen, einander zugekehrt und in konvex oder konkav gebogenem Zustand gehalten sind und die Elektroden der Polymerisatfolien derart an eine Stromquelle angeschlossen sind, daß sich die eine Polymerisatfolie unter der Wirkung des elektrischen Feldes in einer Richtung ausdehnt und die andere Polymerisatfolie unter der Wirkung des gleichen elektrischen Feldes in dieser Richtung schrumpft.

Die Art der Zuordnung und die äußere Form der pi<£2;oelektrische Polymerisatfolien führt zu einem piezoelektrischen, elektroakustischen Wandler, der einen geschlossenen Schwingkörper für Schwingungen mit großen Amplituden darstellt. Der piezoelektrische, elektroakustisch^ Wandler gemäß der Erfindung ist aufgrund seiner hervorragenden Schwingungseigenschaften zur Verwendung für Lautsprecher, Kopfhörer, Empfänger u. dgl. bestens geeignet.

Der von den beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien eingeschlossene Raum steht unter Über- oder Unterdruck, um den konvex oder konkav gebogenen Zustand der beiden Polymerisatfolien zu erreichen. Es ist jedoch auch möglich, einen leichten Feststoff, wie Bimsstein oder Polymerisatschaum in den Raum

zwischen den beiden Polymerisatfolien einzusetzen, um den konvex gebogenen Zustand der folien zu erreichen, statt den Raum unter einem Überdruck /ti halten.

Wenn eine piezoelektrische l'olie in einer Richtung verformt wird, entsteht in dieser Richtung ein :; elektrisches KeId. Wenn dagegen ein elektrisches Feld an die piezoelektrische Folie in einer Richtung angelegt wird, wird die Folie in dieser Richtung verformt. Die Seite der Folie, deren Elektrode eine positive Ladung trügt und sich dehnt, wird im nachstehenden »EN-Pol ι» oder normaler Dehnungspol« genanni, während die gegenüberliegende Seite der piezoelektrischen Polymerisatfolie »SN-Pol oder normaler Schrumpfpol« genannt wird.

Besonders gute Vibrationswirkungen in Verbindung mit einem einfachen Aufbau werden dadurch erzielt, daß jeweils zwei Elektroden mit verschiedenen Polaritäten parallel miteinander verbunden und in einer Anschlußklemme zusammengefaßt sind.

Bestimmte Schwingungscigenschaften lassen sich dadurch erzielen, daß die einander zugekehrten Elektroden der Polymerisatfolien verschiedene Polaritäten aufweisen und jeweils die beiden inneren Elektroden und die beiden äußeren Elektroden der Folien parallel miteinander verbunden sind.

Ein anderes Schwingungsverhalten kann dann erreicht werden, wenn die einander zugekehrten Elektroden der Polymerisatfolien gleiche Polaritäten aufweisen und jeweils eine innere und eine äußere Elektrode der verschiedenen Polymerisatfolien parallel miteinander verbunden sind.

Wenn die piezoelektrischen Polymerisatfolien aus Polyvinylidenfluorid bestehen, wird zum einen eine kostengünstige Herstellung und zum anderen eine verbesserte Wirkungsweise des elekiroakustischen Wandlers erreicht.

Im nachstehenden werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung einer Ausführungsform eines piezoelektrischen, elektroakustischen Wandlers gemäß der Erfindung,

Fig.2 einen Querschnitt längs der Linie A-A in F i g. 2 und

Fig. 3 bis 5 Querschnitte durch verschiedene Abwandlungsformen des elektroakustischen Wandlers gemäß der Erfindung.

Die in den Fig. 1 und 2 wiedergebene Ausführungsform des elektroakustischen Wandlers weist zwei piezoelektrische Polymerisatfolien 1 und Γ auf, die jeweils auf ihren Oberflächen mit Elektroden 2 und 3 bzw. 2' und 3' versehen sind. Zwischen den beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien ist ein elektrisch leitender Zwischenring 4 mittels leitender Flansche 5 und 5' eingespannt. Der elektrisch leitende Zwischenring 4 ist jedoch nicht immer erforderlich. Der SN-Pol 3 der piezoelektrischen Polymerisatfoiie 1 ist dem EN-PoI 2' der Folie Γ zugekehrt. Die beiden Polymerisatfolien 1 und Γ schließen einen Raum 7 ein, welcher mit Druckluft oder einem unter Druck stehenden Gas gefüllt ist. Der Luft- oder Gasdruck im Raum 7 hält die beiden Folien 1 und 1' in konvexem Zustand. Die Elektroden der Polymerisatfolien sind an einen elektrischen Stromkreis 11 angeschlossen, in welchem eine Schallfrequenzquelle 6 angeordnet ist.

Wenn der den Flanschen 5 und 5' zugeführte Schallfrequenzstrom positiv ist, werden der EN-PoI 2 der Diezoelektrischen Polymerisatfolie 1 und der SN-Pol V der piezoelektrischen l'olymerisatfolie C positiv aufgeladen, wodurch sich die Folie I in die durch die gestrichelte Linie in angedeutete Niel'ung ausdehnt, während die· andere Folie I' in die durch die gestrichelte Linie I;/ angedeutete Stellung schrumpft. Wenn dagegen die Rausche 5 und 5' negativ aufgeladen werden, gelangen die Folien 1 und Γ in die durch die gestrichelten Linien \b und Vb angedeuteten Sielliiii gen. Die in der vorstehend beschriebenen Weise angeordneten beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien schwingen daher als ein Korper in Abhängigkeil von den Änderungen des .Schallfrequen/stroms.

Hei der vorstehend beschriebenen AusÜihrungsiorm gemäß Fig. 1 und 2 isi der SN-Pol der Folie 1 dem ENPoI der Folie Γ zugewandt, jedoch kann bei einer anderen Ausführungsform der IiN-PoI (oder der SN-Pol) der einen Folie dem EN-PoI (oder dem SN-Pol) der anderen Folie zugekehrt sein, wie dies in F i g. 3 wiedergegeben ist. In diesem Fall sind die beiden Folien 1 und Γ mittels eines Isolierringes 8 voneinander isoliert, so daß der EN-PoI der einen Folie mit dem EN-PoI der anderen Folie nicht elektrisch verbunden ist. Wenn die Elektroden der piezoelektrischen Folien an einen elektrischen Stromkreis abgeschlossen werden, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, können die beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien 1 und Γ in der gleichen Weise schwingen wie bei der Ausführungsform gemäß Fi g. 1 und 2.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 4 ist der Raum zwischen den beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien 1 und Γ mit einem leichten Feststoff 9, wie Bimsstein oder Polymerisatschajm gefüllt, so daß sich die beiden Folien in konvex gebogenem Zustand befinden. In diesem Fall schwingen die Folien wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 und 2.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 4 muß der Feststoff 9 nicht notwendigerweise den ganzen Raum zwischen den beiden Folien ausfüllen, sondern er kann beispielsweise nur in dem zentralen Teil des Raumes vorhanden sein. Wenn ein solcher leichter Feststoff in den Raum nicht notwendigerweise geschlossen sein.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 5 befinden sich die beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien 1 und 1' durch geringfügige Verminderung des Drucks im Raum 7' zwischen den beiden Folien in einem konkaven Zustand. In diesem Fall schwingen die piezoelektrischen Polymerisatfolien 1 und Γ ebenfalls als ein Körper wie in dem oben beschriebenen Fall.

Die vorstehenden Beispiele zeigen, daß der SN-Pol der Folie 1 und der EN-PoI der Folie Γ sowie der EN-PoI der Folie 1 und der SN-Po! der Folie 1' jeweils parallel geschaltet sind, so daß sie die gleichen Spannungen aufweisen, und daß diese beiden Polaritäten den beiden Elektroden des elektroakustischen Wandlers parallelgeschaltet werden. Diese elektrische Verbindung führt zu einem elektrischen Stromkreis, in welchem die eine der beiden piezoelektrischen Polymtrisatfolien aufgrund der Wirkung des gerichteten elektrischen Feldes schrumpft, während sich die andere Folie aufgrund der Wirkung des gleichen Feldes dehnt.

Da der piezoelektrische Elektroakustische Wandler gemäß der Erfindung die oben beschriebene Ausbildung hat, kann durch Anlegen eines Wechselstroms, beispielsweise eines Schallfrequenzsiromes, an die Elektroden der beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien unmittelbar eine Schallschwingung aus dem Strom erzielt werden. Außerdem schwingt der aus den beiden Folien gebildete Oszillator, wie bereits oben erwähnt, als ein

Körper in einem freien Raum, so daß die Wirksamkeit der Umwandlung von Elektrizität in Schall sehr gut ist.

Im vorstehenden wurde die Umwandlung von Elektrizität in Schall erläutert, jedoch kann der piezoelektrische Wandler gemäß der Erfindung, wie andere piezoelektrische Wandler, zum Umwandeln der Schwingung der piezoelektrischen Folien in elektrische Siromänderung oder zur Umwandlung von Schall in Elektrizität verwendet werden.

Beispiel

Nachdem die beiden Oberflächen einer biaxial gestreckten, 12 Mikron dicken Polyvinylidenfluoridfolie einer Koronaentladungsbchandlung unterworfen worden waren, wurde auf die Oberflächen Aluminium im Vakuum niedergeschlagen, um auf beiden Oberflächen der Folie Aluminiumelektroden zu bilden. Dann wurde an die beiden Elektroden der Folie ein elektrisches Gleichspannungsfeld von 400 kV/cm bei 100° C für die Dauer einer Stunde angelegt Nach der Abkühlung der Folie auf Raumtemperatur, \ 'obci an sie das gleiche elektrische Feld angelegt war, wurde das elektrische Feld entfernt, so daß eine piezoelektrische Polymerisatfolie erhalten wurde. Ils wurden zwei solche piezoelek trische Polymerisatfolien hergestellt.

Es wurde ein Polyäthylenschatim zu einer konvexer Linse geformt, die in der Mitte eine Dicke von 10 mn und einen Durchmesser von 75 mm halte. Die se geformte Linse wurde /wischen den beiden in dei vorstehend beschriebenen Weise hergestellten piezo elektrischen Polyvinylidenfluoridfolicn angeordnet, um der Umfang dieses Gebildes wurde mittels zwcici

ίο ringförmiger Aluminiumflanschc, die einen Außen durchmesser von 90 min und einen Inneiidurchmessei von 80 mm hatten, und einer Isolierpackung au: Polyäthylen abgestützt, um einen Aufbau zu schaffen wie er in F i g. 4 wiedergegeben ist.

is Wenn ein sinusförmiger Wechselstrom von 20 VoI zwischen einem Anschluß 10 und einem Anschluß 10 des Aufbaus gemäß Fig.4 mittels eines Oszillators ( angelegt wurde, der eine Ausgangsimpedanz voi 600 0hm hatte, wurden Schalldrücke über ilOdb ii einem Bereich von 50 Hz bis 20 '.Hz erhalten. Dei Schalldruck wurde gemessen, indem die durch dci vorgenannten Aufbau gebildeten Lautsprecher und eil künstliches Ohr mit einer Ohrmuschel eines Kopfhörer: verbunden wurden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer, elektroakustischer Wandler,

d a d u r c h g e k e η η /. e i c h net, daß zwei piezo- s elektrische Polymerisatfolien (I, I') jeweils auf ihren beiden Seiten mit Elektroden (2, 3; 2', 3') versehen, einander zugekehrt und in konvex oder konkav gebogenem Zustand gehalten sind und die Elektroden der Polymerisatfolien derart an eine Stromquel-Ie angeschlossen sind, daß sich die eine Polymerisatfoüe unter der Wirkung des elektrischen Feldes in einer Richtung ausdehnt und die andere Polymerisatfolie unter der Wirkung des gleichen elektrischen Feldes in dieser Richtung schrumpft.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Elektroden mit verschiedenen Polaritäten parallel miteinander veibunden und in einer Anschlußklemme zusammengefaßt sind.

3. Wandler nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugekehrten Elektroden (2', 3) der Polymerisatfolien (1, 1') verschiedene Polaritäten aufweisen, und jeweils die beiden inneren Elektroden und die beiden äußeren Elektroden der Folien parallel miteinander vcrbunden sind.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugekehrten Elektroden (3, 3') der Polymerisatfolien (1, Γ) gleiche Polaritäten aufweisen und jeweils eine innere und eine äußere Elektrode der verschiedenen Polymerisatfolien parallel miteinander verbunden sind.

5. Wandler nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Polymerisatfolien aus Polyvinylidenfluorid bestehen.

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien einen Raum (7) einschließen, der unter Überdruck steht, welcher die Polymerisatfolien in konvexem Zustand hält.

7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien einen Raum einschließen, in welchem ein leichter Feststoff (9) untergebracht ist, welcher die beiden Folien in konvexem Zustand hält.

8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der leichte Feststoff aus !Bimsstein oder Polymerisatschaum besteht.

9. Wandler nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der leichte Feststoff aus einem zu einer Linse geformten Polymerisatschaum beste;ht.

10. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien einen Raum einschließen, in welchem ein Unterdruck herrscht, welcher die Folien in konkavem Zustand hält.

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