DE2240923A1

DE2240923A1 - Piezoelektrischer elektroakustischer wandler

Info

Publication number: DE2240923A1
Application number: DE2240923A
Authority: DE
Inventors: Shoji Uchikawa
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1971-08-20
Filing date: 1972-08-19
Publication date: 1973-03-22
Also published as: NL163700C; NL163700B; FR2151314A5; NL7211367A; JPS4829420A; GB1361371A; DE2240923B2; US3947644A; CA971288A

Description

DR. E. WIEGAND DIPL-ING. W. NIEMANN DR. M. KÖHLER DIPL-ING. C. GERNHARDT

MÖNCHEN . HAMBURG

telefon: 3953U - " 2000 HAMBURG 50, 17· August 1972

TELEGRAMME: KARPATENT KON IGSTRASSE 28

W. 25^22/72 8/qu

Kureha Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha Tokyo (Japan)

Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler

' Die Erfindung betrifft einen neuen elektroakustischen Wandler, der aus piezoelektrischen Polymerisatfolien zusammengesetzt ist, und insbesondere einen neuen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler, der eine derartige Ausbildung hat, daß ein Schwingsystem, welches zwei piezoelektrische Polymerisat folien aufweist, Wellen von einem elektrischen System empfangen und sie einem akustischen System zuführen kann oder Wellen von einem akustischen System empfangen und sie einem elektrischen System zuführen kann.

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

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Der piezoelektrische Effekt einer piezoelektrischen Polymerisatfolie ruft die Dehnung oder Schrumpfung der Folie hervor, wenn an auf beiden Oberflächen der Folie vorgesehene Elektrodenein elektrisches Feld angelegt wird j und er erzeugt ferner ein elektrisches Feld oder einen Strom zwischen den beiden Elektroden der Polymerisatfolie, wenn diese mechanisch verformt wird. Daher kann, wenn an eine piezoelektrische Polymerisatfolie eine mechanische Vibration, z.B. ein Schalldruck angelegt wird, die von der mechanischen Vibration hervorgerufene Verformung der Polymerisatfolie augenblicklich in die Änderung des Betrages der Elektrizität umgewandelt werden;beispielsweise kann sie augenblicklich in elektrischen Strom für Schall geändert werden. Jedoch erfolgt, wenn den Elektroden einer im ebenen Zustand gehaltenen piezoelektrischen Polymerisatfolie ein elektrischer Strom für Schall zugeführt wird, die Verformung der Folie nur in der Ebene der Folie, so daß eine Vibration der Folie kaum stattfindet. Es ist daher schwierig, aus einer solchen Konfiguration der piezoelektrischen Polymerisatfolie Lautsprecher, Kopfhörer, Empfänger usw. herzustellen.

Ein Zweck der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen piezoelektrischen elektroakustischen VJandler zu schaffen, der piezoelektrische Polymerisatfolien enthält .

Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Konfiguration von piezoelektrischen Polymerisat folien zu schaffen, die wirksam als elektroakustischer Wandler, z.B. als Lautsprecher, Kqfhörer, Empfänger oder dg., verwendet werden können.

Gemäß der Erfindung ist ein elektroakustischer Wandler geschaffen, der zwei piezoelektrische Polymerisatfolien aufweist, deren jede auf ihren beiden Oberflächen mit Elektroden versehen ist, wobei die Polymerisatfolien derart angeordnet sind, daß sie konvexe oder konkave Segmente bilden, indem der zwischen den beiden Polymerisatfolien

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gebildete Raum auf einem hohen oder einem niedrigen Druck gehalten wird und außerdem jede der Polymerisatfolien mittels eines elektrischen Stromkreises so konfiguriert wird, daß, wenn die eine piezoelektrische Polymerisatfolie sich aufgrund der Wirkung eines elektrischen Stromes oder eines elektrischen Feldes in einer Richtung dehnt, die andere Polymerisatfolie aufgrund der Wirkung des gleichen elektrischen Stromes oder Feldes schrumpft. Wahlweise kann ein leichter Feststoff - wie Bimsstein oder Polymerisatschaum - in den zwischen den beiden Folien ge-,bildeten Raum eingeführt werden, um den konvexen Zustand der Folien zu schaffen, statt den Raum unter einem hohen" Druck zu halten.

Eine piezoelektrische Folie erzeugt ein elektrisches Feld in einer Richtung, wenn sie in einer Richtung verformt wird, und sie erfährt eine Verformung in einer Richtung, wenhsie ein elektrisches Feld

in einer Richtung angelegt wird.Bei der

Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird, wenn an eine piezoelektrische Polymerisatfolie ein elektrisches Feld in einer Richtung angelegt wird, diejenige Folienseite, welche die mit positiven Ladungen versehene Elektrode aufweist, und sich dehnt, als "EN-PoI oder normaler Dehnungspol", bezeichnet, während die gegenüberliegende Seite der Folie als.SN-PoI oder normaler Schrumpfungspol" bezeichnet wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert:

Fig. 1 ist eine schaubildliche Ansicht einer Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht nach der Linie A-A der Fig. 1.

Fig. 3, Ί und 5 sind Schnittansichten von weiteren Ausführungsformeη gemäß der Erfindung.

Bei der in Fig. 1 und 2 wiedergesehenen Ausführungsform sind zwei piezoelektrische Polymerisatfolien 1 und 1· vorgesehen, die jeweils auf ihren Oberflächen mit Elektroden

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2 und 3 bzw. 2· und 3' versehen sind. Zwischen den beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien ist ein elektrisch leitender Zwischenring 4 (der jedoch nicht immer für die Erfindung erforderlich ist) mittels leitender Flansche 5 und 5^f eingespannt, so daß der SN-PoI 3 der piezoelektrischen Polymerisatfolie 1 dem EN-PoI 2^f der Folie I¹ zugekehrt ist, und die beiden Folien 1 und 1' werden durch den Druck von unter Druck stehender Luft oder einem unter Druck stehenden Gas, die bzw. das in den Raum 7 eingeschlossen ist, in konvexem Zustand gehalten. Der Aufbau der Polymerisatfolien ist in einen elektrischen Stromkreis 11 geschaltet, in dem eine Schallfrequenzquelle 12 angeordnet ist.

Wenn der den Flanschen 5 und 5' zugeführte Schallfrequenzstrom positiv ist, werden der EN-PoI 2 der piezoelektrischen Polymerisatfolie 1 und der SN-PoI 3¹ der piezoelektrischen Polymerisatfolie I¹ positiv oder positiv aufgeladen, und daher dehnt sich die Folie 1 in die durch die gestrichelte Linie la angedeutete Stellung aus, während die andere Folie I¹ in die durch die gestrichelte Linie l'a angedeutete Stellung schrumpft. Dagegen werden die Folien 1 und I¹, wenn die Flansche 5 und 5' negativ aufgeladen werden, in die durch die gestrichelten Linien Ib bzw. l'b angedeuteten Stellungen gebracht. Daher schwingen die beiden in der beschriebenen V/eise angeordneten piezoelektrischen Folien als ein Körper im Ansprechen auf die fincieruncen des Schallfrequenzstroms.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 ist der SN-PoI der Folie 1 dem EM-Pol der Folie I¹ zugewandt, jedoch kann bei einer anderen Ausführungsform der EM-Pol (oder der SN-PoI) der einen Folie dem EM-Pol (oder dem SN-PoI) der anderen Folie zugekehrt sein, wie dies in Fig. 3 wiedergegeben ist. In diesem Fall sind die beiden Folien 1 und 1* mittels eines Isolierflansches 8 voneinander isoliert, so daß der EN-PoI der einen Folie mit dem EN-PoI der anderen Folie nicht elektrisch verbunden ist. Wenn der Aufbau der piozoelektrischen Folien in einen elektrischen Stromkreis 11 geschaltet wird,

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dies in Pig. 3 dargestellt ist, können die beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien 1 und I¹ gemäß dem gleichen Mechanismus schwingen wie im Fall der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. H ist der Raum zwischen den beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien 1 und I¹ mit einem leichten Feststoff 9, wie Bimsstein oder Polymerisatschaum, gefüllt, so daß sich die beiden Folien im konvexen Zustand befinden. In diesem Fall schwingt der Aufbau wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2. _

Bei der Aus führungs form gemäß Fig. ¹J 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 zwischen den beiden Folien eingebracht wird, muß dieser Raum nicht notwendigerweise geschlossen sein'.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 sind die beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien 1 und 1' durch geringfügige Verminderung des Drucks in dem Raum 7' zwischen den beiden Folien darart angeordnet, daß sich die Folien in konkavem Zustand befinden. In diesem Fall schwingen die piezoelektrischen Polymerisatfolien 1 und 1' ebenfalls als ein Körper wie in dem oben beschriebenen Fall.

Wie aus diesen Beispielen ersichtlich ist, wird der elektrische Stromkreis, in welchem die eine der beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien aufgrund der Wirkung des gerichteten elektrischen Feldes schrumpft, während sich die andereFolie aufgrund der Wirkung des gleichen Feldes dehnt, dadurch gebildet, daß der SN-PoI der Folie und der EN-PoI der Folie 1' sowie der EN-PoI der Folie 1- und der SN-PoI der Folie I¹ jeweils parallelgeschaltet werden, so daß sie die gleichen Spannungen aufweisen, und daß diese beiden Rlaritäten den beiden Elektroden des elektroakustischer. Wandlers parallelgeschaltet werden.

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Da der piezoelektrische elektroakustisch^ Wandler gemäß der Erfindung die oben beschriebene Ausbildung hat, kann durch Anlegen eines Wechselstroms, beispielweise eines Schallfrequenzstromes, an den Aufbau der beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien unmittelbar eine Schallschwingung aus dem Strom wirksam erhalten werden, und außerdem schwingt der aus den beiden Folien gebildete Oszillator, wie bereits oben erwähnt, als ein Körper in einem freien Raum, und daher ist die Wirksamkeit der Umwandlung von Elektrizität in Schall sehr gut.

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 Stromänderung oder zur Umwandlung von Schall in Elektrizität verwendet werden.

Beispiel

Nachdem die beiden Oberflächen einer biaxial verstreckten, 12 Mikron dicken Polyvinylidenfluoridfolie einer KoronamtLadungsbehandlung 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 Ίοο kV/cm bei loo C während einer Stunde angelegt. Nach der Abkühlung der Folie auf Raumtemperatur, wobei an sie das gleiche elektrische Feld angelegt war, wurde das elektrische Feld entfernt, so daß eine piezoelektrische Polymerisatfolie erhalten wurde. Es wurden zwei solche piezoelektrische Polymerisatfolien hergestellt.

Es wurde ein Polyäthylenschaum zu einer konvexen Linse geformt, die in der Mitte eine Dicke von Io mm und einen Durchmesser von 75 ram hatte. Die so geformte Linse wurde zwischen den beiden in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellten piezoelektrischen PoIy-

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vynilidenfluoridfolien angeordnet, und der Umfang dieses Gebildes wurde mittels zweier ringförmiger Aluminiumflansche, die einen Außendurchmesser von 9o mm und einen Innendurchmesser von 80 mm hatten und einer Isolierpackung aus Polyäthylen abgestützt, um einen Aufbau zu schaffen, wie er in Fig. 4 wiedergegeben ist.

Wenn ein sinusförmiger Wechselstrom von 2o Volt zwischen einem Anschluß Io und einem Anschluß Io' des Aufbaus gemäß Fig. 4 mittels eines Oszillators 6 angelegt wurde, der eine Ausgangsimpedanz von 600 Ohm hatte, wurden Schalldrücke über Ho db in einem Bereich von 5o Hz bis . 2o kHz erhalten. Der Schalldruck wurde gemessen, indem die von dem vorgenannten Aufbau gebildete Lautsprecher und ein künstliches Ohr mit einer Ohrmuschel eines Kopfhörers verbunden wurden.

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Claims

Patentansprüche

l) Piezoelektrischer elektroakustischer Wandler, gekennzeichnet durch zwei piezoelektrische Polymerisatfolien, die jeweils auf ihren beiden Oberflächen mit Elektroden versehen und so angeordnet sind, daß sie einander zugekehrt sind und sich in konvexem oder konkavem Zustand befinden wobei die beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien von einem elektrischen Stromkreis derart konfiguriert sind, daß, wenn die eine Folie sich aufgrund der Wirkung eines elektrischen Feldes in einer Richtung dehnt, die andere Folie aufgrund der Wirkung des gleichen elektrischen Feldes schrumpft.
2. V/andler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet} daß zwei verschiedene Elektroden (beide Elektroden) dadurch zusammengefaßt sind, daß zwei unterschiedliche Polarität aufweisende piezoelektrische Elektroden der beiden piezoelektrischen Folien jeweils parallelgeschaltet sind.
3- V/andler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien derart angeordnet sind, daß ihre piezoelektrischen Elektroden von unterschiedlicher Polarität einander zugekehrt sind, und daß die beiden sich gegenüberliegenden Elektroden und die beiden äußeren Elektroden jeweils parallelgeschaltet sind.
4. V/andler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien derart angeordnet sind, daß die piezoelektrischen Elektroden, v;elche die gleiche Polarität haben, einander zugekehrt sind, und daß die inneren und die äußeren Elektroden der Folien jeweils parallelgeschaltet sind.
5. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischer. Polymer! f,at f'olion aus PoJyvi nyli c<o:v

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BAD ORIGINAL

fluorid bestehen.
6. Wandler nach Anspruch 1," dadurch gekennzeichnet, daß die beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien sich in konvexem Zustand befinden, indem der Raum zwischen ihnen auf einem hohen Druck gehalten ist.
7. Wandler nach Anspruch"Iy dadurch gekennzeichnet, daß die beiden piezoelektrischen Polymeris'atfolien sieh in konvexem Zustand befinden,· indem in'den Raum zwischen ihnen ein leichter Peststoff eingeführt'ist.
8. Wandler nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß der leichte Feststoff aus Bimsstein undPolymerisät-.schaum besteht.

9· Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der richte Peststoff aus zu einer Linse geformtem· ' Polymerisatschaum besteht. ' '

lo. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien sich in konkavem Zustand befinden, indem der Raum zwischen ihnen auf einen verminderten Druck gehalten ist.

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